研究人员利用光3D打印纳米螺旋结构，该方法既简单且可扩展

2024年3月19日，南极熊获悉，密歇根大学的研究人员开发了一种简单且可扩展的方法，用于制造3D螺旋结构。这对于3D打印行业来说可能是一个重要的突破，因为螺旋结构在许多应用中都具有重要意义，比如在光学、电子学和生物医学领域。这种新方法可能会推动3D打印技术在制造复杂结构时的应用，并为相关行业带来创新和发展。

△分别使用左螺旋光和右螺旋光形成的纳米螺旋的扫描电子显微镜(SEM)图像

密歇根大学化学科学与工程系Irving Langmuir特聘大学教授Nicholas Kotov是这项研究的共同通讯作者，他说："我们的动机之一是大幅简化复杂材料的制造过程，这些材料是当前许多技术的瓶颈所在。”

△该研究已发表在《美国国家科学院院刊》，研究题目为“利用圆偏振光直写3D打印等离子体纳米螺旋”（传送门）

研发技术背景

手性表面，即表面缺乏镜面对称性（如左手和右手），具有在纳米尺度上弯曲光线的能力，因此需求量很大。新研究展示了一种通过3D打印纳米级螺旋 "森林 "来制造它们的方法。将螺旋轴与光束对齐可产生强烈的光学旋转，从而使手性能在健康和信息技术领域得到利用，而手性在这些领域很常见。

等离子金属制成的手性表面更为理想，因为它们可以生产出大批灵敏度极高的生物检测器。例如，它们可以检测由危险的抗药性细菌、变异蛋白质或DNA产生的特定生物分子，有助于开发有针对性的疗法。这些材料还具有推动信息技术发展的潜力，通过利用光与电子系统（即光纤电缆）的相互作用，可产生更大的数据存储容量和更快的处理速度。

△通过螺旋光3D打印螺旋纳米结构，提供了比纳米光刻更简单、更便宜的替代方案。该示意图展示了带有电动平台的圆偏振光驱动打印系统

利用光3D打印螺旋纳米结构

尽管这些由直立螺旋制成的特殊3D结构表面非常重要，但制造它们的传统方法复杂、昂贵，并且会产生大量浪费。

虽然3D打印已被建议作为替代方案，但现有的3D打印技术不允许纳米级分辨率。这些材料通常需要使用高度专业化的硬件，比如双光子3D光刻技术或电子束诱导沉积技术来制造。只有少数高端设备才能胜任这项任务。另外，这些方法精确度很高，但需要在低压或高温条件下进行耗时的多步骤加工。

作为解决方案，密歇根大学研究团队开发了一种方法，使用螺旋光束产生具有特定旋向和螺距的纳米级螺旋。

△圆偏振激光束（CPL）驱动的银纳米螺旋的合成沿着基底表面的法线方向取向

Kotov说：“使用廉价的中等功率激光器，可以在几分钟内制作出厘米级的手性等离子体表面。这些螺旋林的生长速度之快令人惊叹。”

利用螺旋光3D打印螺旋结构是基于麻省理工学院十年前发现的光到物质手性转移技术。

利用银盐水溶液进行的单步、无掩模、直接写入打印技术为纳米光刻技术提供了替代方案，同时推动了增材制造技术的发展。光驱动打印金属螺旋的加工简易性、高偏振旋转性和精细空间分辨率将大大加快下一代光学芯片复杂纳米结构的制备。