科技報報/華人科學家3D列印出世界上最小的加熱爐

圖為微米級加熱爐逐步加熱的示意圖。

美國馬里蘭大學胡良兵課題組最近發明瞭世界上首個可3D列印的微米級加熱爐,這是迄今已知最小的加熱爐,其優異的性能為微奈米級的精確加熱提供了可能,將有助於推動熱學相關的微奈米科學研究和工程應用。

根據新華網報導, 這項成果近日發表在《美國化學學會•奈米》雜誌上。這種加熱爐溫度可以達到2700攝氏度以上,升降溫速率更是可達20000攝氏度每秒。相比之下,常規的加熱爐通常最高溫度不到1500攝氏度,且升降溫速率一般低於100攝氏度每分鐘。另外,爐子的龐大腔體使其無法進行精細的微奈米級加熱。

鐳射加熱是一種新型的加熱技術,可以針對特定微米級區域進行加熱,但是鐳射設備極其昂貴,且鐳射加熱只對吸收鐳射的材料有效,也只能對表面進行加熱,導致材料加熱時溫度不均情況嚴重。

胡良兵課題組利用3D印表機的三維精確、快速成型能力,設計並制備出微米級加熱爐,其特徵尺寸在200微米以下,近似頭髮絲,並有望持續降低。列印墨水是高濃度氧化石墨烯的水溶液,相比於其他3D列印墨水,氧化石墨烯安全穩定,制備簡單便宜,同時水溶劑不會造成環境污染,很適合於規模化生產。

工作時,透過輸入不同功率的電信號,利用焦耳熱可實現對這種微米級加熱爐溫度的精細調控。氧化石墨烯加熱後轉化成類似石墨烯的結構,其碳-碳共價鍵確保了熱力學穩定性,因此能輕鬆升溫到2700攝氏度以上。微型化的爐子能夠快速集聚熱量,使得超快速加熱成為可能,整個升溫過程可以在100毫秒內完成。

論文第一作者、馬里蘭大學在讀博士生姚永剛說,利用3D列印技術制備的微米級加熱爐,其性能優異,成型快速,而且制備價格低廉,為微奈米科學和工程研究提供了一種極具優勢的加熱手段,為促進新的微奈米級材料性能尤其是熱學相關性能的研究提供了可能。

微奈米級科技是現代科學研究的前沿及熱點。但研究微奈米級材料的物理性能和化學反應,尤其是溫度相關的材料表徵和制備,必須首先開發合適於微奈米級加熱的裝置,要求其能對於特定微奈米級區域進行加熱,同時其加熱溫度範圍和加熱速率也需要可精細調控。