加州理工学院（Caltech）的科学家们开发出一种全新的方法，能够精确控制金属物体的形状和成分，从而对他们所创造的金属混合物（即合金）及其增强性能拥有前所未有的控制力。这一突破性进展为制造具有特定功能的材料奠定了基础，例如生物相容性强且机械性能稳健的支架，或轻巧但坚固的卫星部件。

这项名为“水凝胶注入增材制造（HIAM）”的新技术，建立在该校格里尔（Greer）实验室此前关于使用3D打印制造复杂微观金属结构的研究基础上。在这项新研究中，研究人员托马斯·T·特兰（Thomas T. Tran）找到了一种方法，可以同时注入多种金属，制造出含有定制比例铜和镍的合金。这种比例上的差异对于材料性能至关重要。

该工艺首先通过3D打印技术，逐层精确沉积聚合物树脂，创建出一种凝胶状的有机水凝胶支架。随后，通过将金属盐溶液浇注到该支架上，使其充满金属离子。研究人员接着进行煅烧，烧掉有机物，留下多孔的金属氧化物基质。最后一步是还原退火，在富氢环境中加热材料以去除氧气，形成所需的金属合金结构。

加州理工学院材料科学、力学和医学工程教授朱莉娅·R·格里尔（Julia R. Greer）指出：“这种方法可以随心所欲地改变成分，这在传统冶金工艺中是不可能实现的。” 她的一位同事甚至将这项工作描述为“将冶金带入了21世纪”。

通过分析合金的微观结构并进行机械测试，科学家们发现HIAM方法生产的合金比其他方法形成得更加均匀，从而在整个晶体结构中具有更高程度的对称性。此外，这项研究还揭示了HIAM工艺在合金中留下了纳米级的氧化物夹杂物，这些夹杂物可以使合金的硬度提高多达四倍。特兰解释说：“由于金属在此过程中以复杂的方式形成，我们发现了富含金属-氧化物界面的纳米结构，这有助于我们的合金硬化。”

这项研究表明，合金的强度不仅取决于晶粒尺寸，还取决于其化学成分，这挑战了先前关于金属强度因素的假设。这项工作得到了美国能源部基础能源科学项目和国家科学基金会研究生奖学金的支持，其成果已发表在《Small》杂志上。