內存電阻、量子計算、高效主流能量存儲和轉換技術等應用需要原子級定制材料，因此需要對原子進行3D打印。

多年來，科學家們主要通過光刻技術和掃描探針技術來探索實現(xiàn)這一目標的方法。這些技術雖然具有一定的三維構建能力，但主要還是用于構建二維的表面結構。

美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的科學家通過對一系列聚焦的電子和離子束3D打印技術進行評估，推薦了適合在固體、液體和表面進行原子三維排列、組合的可替代技術。本期，3D科學谷將于谷友們一起了解一下ORNL 的科研成果。

將原子進行三維排列、組合

傳統(tǒng)的3D打印機的工作原理是將打印對象進行分層，然后一層一層的制造出一個三維的物理結構，而ORNL的科學家們研究的技術則更加微觀，他們使用的技術是將原子進行逐一的排列、組合，以制造出原子級的三維結構。ORNL科學家將這類技術稱之為“directed matter”。

圖片來源：ACS Nano

科學家認為這種原子級的3D打印技術可以制造出精確結構的材料。使用該技術人們將能夠設計出在極端環(huán)境下更強、更輕、更牢固的材料，為能源、化學、信息學等領域提供經(jīng)濟的材料解決方案。雖然目前這種在3D空間完全控制原子排列和組合的3D打印技術還在探索階段，但是ORNL 科學家相信該技術將成為未來材料技術的一個組成部分。

圖片來源：3ders.org

左：顯微鏡中創(chuàng)建的3D 結構；右：模擬的3D結構

那么ORNL 科學家是通過什么樣的設備實現(xiàn)原子3D打印的呢？原來一些用于其它研究領域的科學儀器發(fā)揮了重要作用。例如，透射電子顯微鏡。透射電子顯微鏡能夠實現(xiàn)單原子成像、化學應變成像和皮米級結構映射，它使科學家能夠制造出特征分辨率不到10納米的新材料。ORNL 科學家表示，這種這種交互式的、結合了電子、離子的成像顯微鏡，可以作為下一代原子級3D打印設備的基礎。

相關論文發(fā)表在《ACS Nano》雜志上，題目為：Directing Matter: Toward Atomic-Scale 3D Nanofabrication。

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