對材料工程師來說，納米結構是一個“圣杯”。由納米級水平的合成材料組成的納米結構有許多機械、光學和能量特質，理論上，這些特質可以撼動無數行業。不幸的是，按比例增大這些納米結構材料到可操作的程度一直是一件挑戰性十足的事情。幾乎在每一個實例中，增大行為都降低了材料的結構完整性、均勻性和性能，因此破壞了它們本應由的特質。但3D打印可能為此提供了一種解決方案，因為弗吉尼亞理工大學(Virginia Tech)的研究人員剛剛披露了一種用3D打印機成功地按比例增大納米結構材料的方法。

這項突破性的研究成果是由Xiaoyu Zheng領導的一個研究團隊實現的，Xiaoyu Zheng是弗吉尼亞理工大學的機械工程助理教授。該項研究成果已經在一篇名為《多尺度金屬超材料(Multiscale metallic metamaterials)》的論文中被詳細提及，這篇論文剛剛發表在Nature Materials雜志上。研究團隊成員還包括弗吉尼亞理工大學研究生Huachen Cui、Da Chen和眾多來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(the Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)的合作伙伴。研究本身得到了LLNL、弗吉尼亞州的SCHEV基金和國防部高級研究項目局( the Defense Advanced Research Projects agency)的支持。

正如研究人員所說的那樣，他們開創了一種創造輕而有強度的高彈性金屬納米結構的新方法。通過一個完整的七個數量級控制，這種新的3D打印方法也可以很顯著地被比例增大，使納米結構擴大到數厘米的大小。

這種突破性的3D打印方法所能實現的驚人彈性也許是它最顯著的特點。這些由分層3D建筑布置和納米級空心管組成的多尺度金屬材料的彈性比傳統的輕金屬和泡沫陶瓷高出4倍。此外，在納米材料里，這些多層遞階結構還具有一個最佳的表面積，這些表面積不僅放大了材料的光學和電學性能，還可以到處收集光子能——除了在像光伏板這樣的頂面上收集，還能在晶格結構內部收集。

這應該為許多應用鋪平了道路，研究人員借此也能模仿更廣泛的天然材料。例如，許多骨結構是由從納米級到宏觀尺度的多層次3D結構組成的，而研究人員迄今都無法完全復制或控制這些3D結構。任何需要堅硬、有強度、輕而有韌性的材料的領域也都應該能從這種3D打印方法中受益。這些領域顯然包括從航空航天和汽車到醫療和軍事工業的任何高科技領域。

那么這種3D打印方法是如何工作的呢?從本質上講，研究人員們3D打印出具有納米級特征的分層晶格，以此來產生結構，這些結構反映在單個對象里的每一個尺度上。他們還采用了數字光3D打印技術，以此來兼得高分辨率和打印尺寸。之前，高分辨率和打印尺寸之間的顧此失彼被視為比例增大3D打印微米晶格和納米晶格的主要障礙。“高分辨率和大面積的擴展性3D打印讓我們能創造出這些材料，但這種擴展性不是通過雙光子聚合或傳統的立體光刻實現的，”研究人員寫道。

Zheng和他的團隊正在考慮用這項潛力無窮的新技術為非常惡劣的環境生產多功能無機材料(如金屬和陶瓷)。“通過新技術得到的增強的彈性和韌性，外加設計時并沒有加入軟聚合物，使得金屬材料適合在惡劣的環境下充當靈活的傳感器和電子設備，因為那樣的環境要求材料必須具有耐溫性和耐化學性。”Zheng 說。