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华人科学家3D打印出世界上最小的加热炉

作者:   来源:新华网   时间:2016年05月26日 21:38:35 

  图为微米级加热炉逐步加热的示意图。新华网发

  新华网华盛顿5月24日电(记者林小春)美国马里兰大学胡良兵课题组最近发明了世界上首个可3D打印的微米级加热炉,这是迄今已知最小的加热炉,其优异的性能为微纳米级的精确加热提供了可能,将有助于推动热学相关的微纳米科学研究和工程应用。

  这项成果近日发表在《美国化学学会·纳米》杂志上。这种加热炉温度可以达到2700摄氏度以上,升降温速率更是可达20000摄氏度每秒。相比之下,常规的加热炉通常最高温度不到1500摄氏度,且升降温速率一般低于100摄氏度每分钟。另外,炉子的庞大腔体使其无法进行精细的微纳米级加热。

  激光加热是一种新型的加热技术,可以针对特定微米级区域进行加热,但是激光设备极其昂贵,且激光加热只对吸收激光的材料有效,也只能对表面进行加热,导致材料加热时温度不均情况严重。

  胡良兵课题组利用3D打印机的三维精确、快速成型能力,设计并制备出微米级加热炉,其特征尺寸在200微米以下,近似头发丝,并有望持续降低。打印墨水是高浓度氧化石墨烯的水溶液,相比于其他3D打印墨水,氧化石墨烯安全稳定,制备简单便宜,同时水溶剂不会造成环境污染,很适合于规模化生产。

  工作时,通过输入不同功率的电信号,利用焦耳热可实现对这种微米级加热炉温度的精细调控。氧化石墨烯加热后转化成类似石墨烯的结构,其碳-碳共价键确保了热力学稳定性,因此能轻松升温到2700摄氏度以上。微型化的炉子能够快速集聚热量,使得超快速加热成为可能,整个升温过程可以在100毫秒内完成。

  论文第一作者、马里兰大学在读博士生姚永刚说,利用3D打印技术制备的微米级加热炉,其性能优异,成型快速,而且制备价格低廉,为微纳米科学和工程研究提供了一种极具优势的加热手段,为促进新的微纳米级材料性能尤其是热学相关性能的研究提供了可能。

  微纳米级科技是现代科学研究的前沿及热点。但研究微纳米级材料的物理性能和化学反应,尤其是温度相关的材料表征和制备,必须首先开发合适于微纳米级加热的装置,要求其能对于特定微纳米级区域进行加热,同时其加热温度范围和加热速率也需要可精细调控。


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