研究人员开发光投影纳米级金属3D打印工艺，速度提升480倍，成本降低35倍

南极熊导读：长期以来，金属纳米结构的直接打印是困扰科学家的一大难题。这是由于目前的打印技术仍无法有效达到纳米级分辨率，即使能够实现纳米级打印，制造过程也是过于昂贵和缓慢。将溶剂化的金属离子光还原成金属纳米粒子是一种有吸引力的策略，因为它比基于沉积的技术更快。然而，它仍然受到分辨率与成本权衡的限制，因为纳米结构的亚衍射打印需要来自昂贵的飞秒激光器的高强度光。

2024年1月23日，南极熊获悉，来自佐治亚理工学院的研究人员开创了一种新型纳米级金属 3D 打印技术，该技术在速度和经济性方面都超越了当前的方法。它引入了一种可扩展的解决方案，能够给受昂贵成本限制的传统应用领域带来新的突破。

相关研究以题为“通过超发光光投影实现金属纳米结构的可扩展打印/ScalablePrinting of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection”的论文被发表在《先进材料》期刊上。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308112

研究团队由助理教授 Sourabh Saha 和博士领导。学生 Jungho Choi 实现了金属纳米结构的打印技术，其速度比传统方法快 480 倍，成本低 35 倍，令人印象深刻。这一过程被称为纳米图案化，对于各种技术至关重要，包括电子设备、太阳能转换、传感器等。

△研究人员和他们的超发光光投影系统

Saha 和 Choi 挑战了高强度飞秒激光器对于纳米级打印至关重要的传统观念，探索了替代方案。他们选择了超辐射发光二极管 (SLED)，其发出的光强度比飞秒激光器低十亿倍。研究人员巧妙地设计了一种投影式打印技术，可将数字图像转换为光学图像，展示出更清晰的焦点和更快的生产速度。

研究人员利用注入金属盐的透明墨水溶液，在暴露于超辐射光下时产生化学反应。该反应将盐溶液转化为金属，在玻璃表面形成纳米结构。值得注意的是，投影式打印可以一步创建整个结构，与逐点方法形成鲜明对比，显着提高了效率。

△佐治亚理工学院的logo，采用纳米级工艺打印而成。（图片来源：佐治亚理工学院）

Saha表示：“我认为，在致力于制造微型结构的科学界中，成本和速度的指标被大大低估了。在现实世界中，当要将实验室的发现转化为工业时，这些指标非常重要。只有当我们拥有考虑到这些指标的制造技术时，我们才能够充分利用纳米技术来造福社会。”

SLED 的成本约为 3,000 美元，研究人员的目标是使纳米级 3D 打印大众化，使其超越拥有昂贵技术的顶尖大学。潜在的应用涵盖电子、光学和等离激元学，为研究人员和小型企业等提供低成本解决方案。

研究背景
随着社会的发展，人们对于微型电子设备的需求越来越高，这些设备需要用到纳米金属结构。然而，当前的金属纳米结构制备技术要么分辨率不够高，要么成本太高，速度太慢，难以满足市场需求。因此，如何快速、低成本地制备高分辨率的金属纳米结构是一个迫切需要解决的问题。
研究内容
本研究提出了一种新的金属纳米结构制备技术——超发光投影技术（SLP）。该技术利用低强度的超发光进行投影，可以快速制备尺寸小至210纳米、周期小至300纳米的高分辨率金属纳米结构。研究人员还展示了制备任意复杂的2D纳米结构银图案，并在500毫秒内完成了30微米×80微米的制备过程。最终，通过退火处理，制备出的纳米结构电导率达到了银块的1/12。相比于使用费秒激光器制备金属纳米结构，SLP技术速度提高了480倍，成本降低了35倍。
研究意义
本研究提出的SLP技术具有以下创新点和：1）利用低强度的超发光进行投影，实现了高分辨率的金属纳米结构制备，解决了当前技术的分辨率和成本之间的矛盾；2）SLP技术速度快，成本低，可以大规模生产金属纳米结构，有望推动纳米技术在实际应用中的推广和应用。