美国陆军实验室利用原子探索纳米材料3D打印防弹衣

美国陆军研究实验室（ARL）的材料科学家正在使用最先进的3D成像原子探针技术分析原子级的金属和陶瓷样品。这项研究旨在解决下一代防弹衣系统的材料内部结构，以保证士兵安全。

为了了解他们正在使用的尺寸，想象一下头发的宽度。样品比人发小一千倍。“原子探针为我们提供了原子级的三维重建。”实验室武器和材料研究理事会的材料科学家ChadHornbuckle博士说。“当你看到由数百万个点构成的，这些点实际上是单个原子。它基本上是世界上唯一能够在原子水平上实现这一目标的机器。有些机器，如透射电子显微镜或TEM，进行化学分析，但它不精确。你可能只有一次效果，但如果化学变化，下次你会得到完全不同的效果，如果你无法控制化学反应，就无法控制这些属性。”

研究人员通过喷砂或铣削产生非常尖锐的尖端，准备对金属和陶瓷样品进行分析。然后使用双光束扫描电子显微镜施加化学元素镓。样品准备好后，将它们插入原子探针中。探头内部是超冷真空。使用激光或电压脉冲，科学家们将小尖端上的原子电离，导致各个离子从表面蒸发。然后分析和识别蒸发的离子，这就形成近原子分辨率的3D模型。

电沉积是一种产生薄金属涂层的过程。我们在使用其他方法识别这个阶段时遇到了问题，但原子探测器确切地告诉我们它是什么以及它是如何分配的。这台机器的功能令人印象深刻，你可以实时看到原子出现。再次，它是在纳米尺度，所以它比所有其他表征技术更精细。原子探针很容易告诉我们，两种不同类型的氢化铜相，这不是我们可以检测到的其他方法。陆军使用的那种原子探测器是美国发现的少数几种原子探测器之一。

“由于原子探针的数量有限，大学也会自带样品进行分析。我们合作的一所大学是利哈伊大学。”霍恩巴克尔说。“起初，这次合作更多的是相互交流的专业知识，我在原子探针中分析了他们的一些样品，并使用他们的像差校正透射电子显微镜来分析我们的一些铜钽样品。我们现在继续这种合作。“陆军还与阿拉巴马大学合作进行原子级分析。这些伙伴关系使陆军能够使用大学实验室设备。通过这项研究获得的基础知识将适用于当前的陆军的问题以及未来陆军相关材料的开发。