导读：在纳米科技领域，多材料的3D纳米制造一直是人们研究的重要内容。大多数3D纳米制造技术依赖于光刻方法来创建具有纳米级分辨率的复杂结构，技术核心是光引发的化学反应（如光聚合和光还原）。尽管此领域的研究内容有很多，但用于纳米制造的材料仍然很有局限性，目前主要集中在聚合物材料或金属材料。在不损害现有结构复杂性、纳米级特征尺寸和材料功能的情况下，为更广泛的材料类别提供制造解决方案仍然是一个关键的挑战。
为了解决上述问题，来自香港中文大学SHIH-CHI CHEN教授（陈教授）、卡内基梅隆大学 YONGXIN ZHAO教授（赵教授）进行了合作，提出了一种利用包括金属、金属合金、二维材料、氧化物、金刚石、上转换材料、半导体、聚合物、生物材料、分子晶体和油墨的材料库来制造任意3D纳米结构的策略。他们的研究成果已经发表在了《Science》上，题目为《Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly》（《通过超快激光图案和动力学调节的材料组装进行三维纳米制造》）。
研究背景
赵教授的生物光子学实验室主要开发研究细胞和组织中的生物和病理过程的新技术，称为膨胀显微镜过程，该实验室致力于推进此技术，以按比例放大嵌入水凝胶中的微观样品，使研究人员能够在不升级显微镜的情况下查看样品细节。
2019 年，赵教授与作为受邀演讲人访问卡内基梅隆大学的来自香港中文大学机械与自动化工程系教授陈世奇进行了一次交流，确定了合作。赵教授说：“Shih-Chi 以发明超快双光子光刻系统而闻名，我们在他访问卡内基梅隆大学期间相遇，并决定结合我们的技术和专业知识来追求科研的进步。”他们认为可以利用综合专业知识为微加工领域的长期挑战找到新的解决方案：开发将可打印纳米设备的尺寸减小到小至几十纳米或几个原子厚的方法。最终，他们的解决方案与膨胀显微镜相反，即在水凝胶中创建材料的 3D 图案并将其缩小以获得纳米级分辨率。他们合作的结果为设计复杂的纳米设备打开了新的大门，并发表在《Science》杂志上。
研究成果
●纳米制造的设置、过程和结果
传统的 3D 纳米级打印机聚焦激光点以连续处理材料并需要很长时间才能完成设计，而 Chen 的发明改变了激光脉冲的宽度以形成图案化的光片，从而使整个图像包含数十万个像素（体素）在不影响轴向分辨率的情况下立即打印。这种制造技术被称为飞秒项目双光子光刻或 FP-TPL。该方法比以前的纳米打印技术快 1,000 倍，并可以制造具有成本效益的大规模纳米打印用于生物技术、光子学或纳米设备。
在这个过程中，研究人员将引导飞秒双光子激光修改水凝胶的网络结构和孔径，为水分散性材料创建边界。然后将水凝胶浸入含有金属、合金、金刚石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水的纳米颗粒的水中。
赵教授说:“由于偶然的机会，我们尝试的纳米材料都被自动吸引到水凝胶中的打印图案上并组装得很好，随着凝胶收缩和脱水，材料变得更加密集并相互连接。”例如，如果将打印的水凝胶放入银纳米颗粒溶液中，银纳米颗粒会沿着激光打印的图案自组装到凝胶中。随着凝胶变干，它可以收缩到原来大小的 13 倍，使银密度足以形成纳米银线并导电。
●光学衍射元件（DOEs）的制作及其在三维光存储和加密中的应用
为了演示该技术在加密光存储中的用途，例如如何用激光写入和读取 CD 和 DVD，该团队设计并构建了一个七层 3D 纳米结构，在光学解密后读取“SCIENCE”。每层包含一个 200x200 像素的字母全息图。样品收缩后，整个结构在光学显微镜下呈现为半透明矩形。人们需要正确的信息来了解样本的扩展程度以及光照的位置以读取信息。根据研究的结果，该技术可以在一个微小的立方厘米空间中打包 5 PB 的信息。这大约是美国所有学术研究图书馆总和的 2.5 倍。未来研究人员的目标是用多种材料构建功能性纳米器件。如纳米电路、纳米生物传感器，甚至是用于不同应用的纳米机器人等。
展望
在传统的纳米科学中，将材料直接组装成复杂的3D结构需要复杂的化学反应和定制的打印设置。本研究展示了动力学控制在操纵各种材料的组装中的技术应用。原则上，该方法可以很容易地扩展到其他水溶性或分散性材料，而无需进一步的化学设计。通过将该策略应用于其他高通量光学平台或偏振优化，可以进一步扩展其应用范围。，研究人员新制造平台在创造新的功能性和生物相容性微器件、光学超材料和柔性电子产品方面提供了一种颠覆性解决方案，这些产品可能会影响光学、纳米技术和生物技术领域。
|
京公网安备11010802043351