材料百态

西湖大学未来产业研究中心、工学院教师文燎勇的实验室里，有一种很常见的铝卷，它和我们常见的铝的样子并不一样，只有卫生间的卷纸那么大。铝卷的不远处，摆着一台课题组定制的机器。10厘米见方的铝片会被送进这里，可以接受至少3次“盖章”（压印）加工。

实验室里很常见的铝卷

这是文燎勇课题组经过四年研究，成功开发出的一种新型铝基跨尺度3D制造技术。他们利用铝在加工过程中产生的硬化效应，首次实现了从纳米、微米到宏观全尺度范围内多种材料的高精度制造。这一技术在柔性电子、光学防伪和光电集成等领域展现出广阔的应用前景。相关研究论文“Aluminium surface work hardening enables multi-scale 3D lithography”于近日发表在《自然—材料》杂志。

实验室自研铝基跨尺度3D压印设备

200多年前，在拿破仑三世眼里，铝还是深藏在凡尔赛宫偶尔用来“凡尔赛”一下的稀罕珍宝。但19世纪以来，铝的工业化生产就已经非常成熟，当今中国铝产量已经占据全球一半以上，我们再也不稀罕“铝”了。对大多数人来说，每天手握铝的时间可能都长达数个小时，因为多数手机和笔记本电脑的外壳就是铝经过阳极氧化做出来的。

金属材料在加工变形后，力学强度和硬度都会升高，这样便阻碍了金属进一步变形，比如往铝里掺入其他金属元素，变成铝合金后，铝的强度密度会大大增加。文燎勇课题组正是利用了铝金属在加工过程中所展现出的硬化效应，在对铝一层又一层连续压印中，确地保留各个尺度的精密结构。

课题组开发的铝卷第一层，是纳米级的图案。几千万个直径只有100多纳米的小孔，规律地分布在铝片上。放大看，像在橡皮泥上戳了密密麻麻的针眼。第二层，叠加微米级的图案。一样是排列规则的小孔矩阵，只是直径从100纳米跳级到了10微米，像在缀满针眼的橡皮泥上摁下几万个手指印，凹陷处仍能清楚地看到第一层的针眼结构。第三层，继续叠加更大尺寸的图案。像是朝着橡皮泥砸了一拳，拳印里有手指印，手指印里有针眼。

铝基纳米-微米-宏观跨尺度3D压印代表性实物和局部放大SEM图

通过多层压印和阳极氧化创新结合，铝基3D制造技术，可以同时对纳米、微米、宏观多个“图层”进行自定义设计和精细调控，从而在全尺度材料结构制造中展现出极高的灵活性和精确性。

这样的制造技术将对各种智能器件产业发展建立坚实的技术基础。文燎勇表示：“现在越来越多的智能手环手表，可以测心率、氧饱和、睡眠质量，而实现这些功能的传感器，就是器件的一种。”以智能手环手表中用来监测心率和血压的压力传感器为例。压力的感知往往与形变有关，如果在简单的平面上施加轻微压力，变化可想而知不会很大；但如果这个平面变成各种各样层层叠叠的结构，压力作用下器件中接触点变多了，敏感性也就变强了。而高精度的跨尺度制造技术，还能让对结构具有完全不同需求的传感器件集成到一起。

文燎勇和课题组博士生王朗用这项技术成功做出了第一款新型的、定制化的传感器。他们在一款能够监测心率的器件中，通过一个3D集成系统，加入了汗液成分监测功能，让器件又能防水还能“吸水”。目前，实验室开发的试验传感器已经成功实现了连续一周的心率和汗液监测，证明了其在实际生理监测中的应用潜力。

文燎勇说，铝基跨尺度3D制造技术具有高度个性化定制的能力，非常适合与人工智能结合。“针对特定的应用场景和功能需求，让AI先完成结构和材料的智能化设计，再由铝基跨尺度3D制造技术精准实现，从而将柔性电子、光学防伪以及光电集成等诸多领域带入高度智能化和定制化的时代。”

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