Nature震撼强文| 通过带电喷雾实现3D纳米打印

本周，首尔大学Mansoo Choi等在Natue上发表题为“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”的文章，通过带电喷雾实现多种材料直接3D打印金属纳米结构阵列，令人眼前一亮。

摘要：3D打印已经彻底改变了制造用于电子学方法，光学，能源，机器人，生物工程和感测等。缩小3D打印尺寸将支持具有微结构和纳米结构的性质的优点的应用。但是，用于金属3D纳米打印的现有技术需要聚合物-金属混合物，金属盐或流变油墨，从而限制了材料的选择和所得结构的纯度。气雾剂光刻先前已被用于组装预图案化衬底上的高纯度的3D金属纳米结构的阵列，但在有限的几何形状。在这里，研究者介绍一种使用多种材料直接3D打印金属纳米结构阵列的技术，该阵列具有灵活的几何形状和小至数百纳米的特征尺寸。印刷过程在干燥的气氛中进行，不需要聚合物或墨水。取而代之的是，将离子和带电的气雾剂粒子引导到一个电介质掩模上，该介质掩模包含浮在偏置的硅基板上的一系列孔。离子在每个孔周围聚集，生成静电透镜，将带电的气溶胶颗粒聚焦成纳米级射流。这些射流由会聚电场线引导，该会聚电场线在含孔的掩膜下形成，该掩膜的作用类似于常规3D打印机的喷嘴，可将气溶胶颗粒3D打印到硅基板上。通过在打印过程中移动基材，成功地打印了各种3D结构，包括螺旋，悬垂的纳米柱，环和字母。另外，为了演示技术的潜在应用，打印了一组垂直开口环谐振器结构。结合其他3D打印方法，希望我们的3D纳米打印技术能够在纳米制造方面取得实质性进展。

文章简述

打印原理：同时将由火花放电产生的带电气溶胶和离子注入到静电室中，在该室中，带有孔阵列的介电掩模与偏置的硅基板分离（图1）。掩模与基板的分离非常关键，因为它使基板能够自由移动而不会接触正在生长的纳米结构，并且因为它允许更改掩模中的孔与正在生长的结构的尖端之间的相对距离，从而能够控制最终会打印出所需的3D纳米结构的会聚电场线的形状。固定掩模下方的基板运动由3D纳米级控制。通过将负电势施加到基板上，正气溶胶和离子被吸引到掩模上。在带电气溶胶之前，较高迁移率的阳离子首先到达面罩的表面。离子积累可防止纳米颗粒沉积在掩模上，并在每个孔周围形成静电透镜。该透镜聚焦带正电荷的气溶胶，而不会引起使用模板光刻时发生的“堵塞”。包含孔的掩模与其他3D打印技术中的喷嘴相似，但是由于静电聚焦，打印结构的宽度比孔的大小小得多。在面罩下，形成会聚的电场线（法拉第线），该电场线将气溶胶射流连接到正在生长的3D结构的尖端。可以通过在三个维度上平移纳米级来控制生长的结构。注意，尖端通过自聚焦过程（即，以拓扑保护的方式）保持电场线连接到掩模孔中心。

3D纳米打印原理图

3D纳米打印设备

打印悬垂纳米柱

多材料及磁共振结构纳米打印

研究者引入了一种3D纳米打印技术，该技术使用带电的气溶胶作为构建基块。这种完全干燥的技术，不涉及聚合物或墨水，在大气条件下使用自洽的电场线作为绘图工具。两种打印模式-尖端3D增长和表面书写-方便了各种结构的打印，包括螺旋，悬垂的纳米柱，环结构和字母。通过结合这两种模式，研究者成功地制造出具有磁共振的垂直SRR结构。此外，开发了与实验数据一致的现象学模型。结合其他3D打印方法，研究者希望3D纳米打印技术能够在纳米制造方面取得实质性进展。

参考文献

Jung, W., Jung, YH., Pikhitsa, P.V. et al. Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets. Nature 592, 54–59 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03353-1（点击文末阅读原文查看英文原文）
文章选自：上普生物  微信公众号