飛秒雙光子激光納米3D打印新突破，登上《Science》

導(dǎo)讀：在納米科技領(lǐng)域，多材料的3D納米制造一直是人們研究的重要內(nèi)容。大多數(shù)3D納米制造技術(shù)依賴于光刻方法來創(chuàng)建具有納米級分辨率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，技術(shù)核心是光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)（如光聚合和光還原）。盡管此領(lǐng)域的研究內(nèi)容有很多，但用于納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屬材料。在不損害現(xiàn)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、納米級特征尺寸和材料功能的情況下，為更廣泛的材料類別提供制造解決方案仍然是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。



為了解決上述問題，來自香港中文大學(xué)SHIH-CHI CHEN教授（陳教授）、卡內(nèi)基梅隆大學(xué) YONGXIN ZHAO教授（趙教授）進(jìn)行了合作，提出了一種利用包括金屬、金屬合金、二維材料、氧化物、金剛石、上轉(zhuǎn)換材料、半導(dǎo)體、聚合物、生物材料、分子晶體和油墨的材料庫來制造任意3D納米結(jié)構(gòu)的策略。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在了《Science》上，題目為《Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly》（《通過超快激光圖案和動力學(xué)調(diào)節(jié)的材料組裝進(jìn)行三維納米制造》）。

研究背景

趙教授的生物光子學(xué)實(shí)驗室主要開發(fā)研究細(xì)胞和組織中的生物和病理過程的新技術(shù)，稱為膨脹顯微鏡過程，該實(shí)驗室致力于推進(jìn)此技術(shù)，以按比例放大嵌入水凝膠中的微觀樣品，使研究人員能夠在不升級顯微鏡的情況下查看樣品細(xì)節(jié)。

2019 年，趙教授與作為受邀演講人訪問卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的來自香港中文大學(xué)機(jī)械與自動化工程系教授陳世奇進(jìn)行了一次交流，確定了合作。趙教授說：“Shih-Chi 以發(fā)明超快雙光子光刻系統(tǒng)而聞名，我們在他訪問卡內(nèi)基梅隆大學(xué)期間相遇，并決定結(jié)合我們的技術(shù)和專業(yè)知識來追求科研的進(jìn)步。”他們認(rèn)為可以利用綜合專業(yè)知識為微加工領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)找到新的解決方案：開發(fā)將可打印納米設(shè)備的尺寸減小到小至幾十納米或幾個原子厚的方法。最終，他們的解決方案與膨脹顯微鏡相反，即在水凝膠中創(chuàng)建材料的 3D 圖案并將其縮小以獲得納米級分辨率。他們合作的結(jié)果為設(shè)計復(fù)雜的納米設(shè)備打開了新的大門，并發(fā)表在《Science》雜志上。

研究成果



●納米制造的設(shè)置、過程和結(jié)果
傳統(tǒng)的 3D 納米級打印機(jī)聚焦激光點(diǎn)以連續(xù)處理材料并需要很長時間才能完成設(shè)計，而 Chen 的發(fā)明改變了激光脈沖的寬度以形成圖案化的光片，從而使整個圖像包含數(shù)十萬個像素（體素）在不影響軸向分辨率的情況下立即打印。這種制造技術(shù)被稱為飛秒項目雙光子光刻或 FP-TPL。該方法比以前的納米打印技術(shù)快 1,000 倍，并可以制造具有成本效益的大規(guī)模納米打印用于生物技術(shù)、光子學(xué)或納米設(shè)備。



在這個過程中，研究人員將引導(dǎo)飛秒雙光子激光修改水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔徑，為水分散性材料創(chuàng)建邊界。然后將水凝膠浸入含有金屬、合金、金剛石、分子晶體、聚合物或鋼筆墨水的納米顆粒的水中。



趙教授說:“由于偶然的機(jī)會，我們嘗試的納米材料都被自動吸引到水凝膠中的打印圖案上并組裝得很好，隨著凝膠收縮和脫水，材料變得更加密集并相互連接�！崩�如，如果將打印的水凝膠放入銀納米顆粒溶液中，銀納米顆粒會沿著激光打印的圖案自組裝到凝膠中。隨著凝膠變干，它可以收縮到原來大小的 13 倍，使銀密度足以形成納米銀線并導(dǎo)電。

●光學(xué)衍射元件（DOEs）的制作及其在三維光存儲和加密中的應(yīng)用



為了演示該技術(shù)在加密光存儲中的用途，例如如何用激光寫入和讀取 CD 和 DVD，該團(tuán)隊設(shè)計并構(gòu)建了一個七層 3D 納米結(jié)構(gòu)，在光學(xué)解密后讀取“SCIENCE”。每層包含一個 200x200 像素的字母全息圖。樣品收縮后，整個結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為半透明矩形。人們需要正確的信息來了解樣本的擴(kuò)展程度以及光照的位置以讀取信息。根據(jù)研究的結(jié)果，該技術(shù)可以在一個微小的立方厘米空間中打包 5 PB 的信息。這大約是美國所有學(xué)術(shù)研究圖書館總和的 2.5 倍。未來研究人員的目標(biāo)是用多種材料構(gòu)建功能性納米器件。如納米電路、納米生物傳感器，甚至是用于不同應(yīng)用的納米機(jī)器人等。

展望
在傳統(tǒng)的納米科學(xué)中，將材料直接組裝成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和定制的打印設(shè)置。本研究展示了動力學(xué)控制在操縱各種材料的組裝中的技術(shù)應(yīng)用。原則上，該方法可以很容易地擴(kuò)展到其他水溶性或分散性材料，而無需進(jìn)一步的化學(xué)設(shè)計。通過將該策略應(yīng)用于其他高通量光學(xué)平臺或偏振優(yōu)化，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。，研究人員新制造平臺在創(chuàng)造新的功能性和生物相容性微器件、光學(xué)超材料和柔性電子產(chǎn)品方面提供了一種顛覆性解決方案，這些產(chǎn)品可能會影響光學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)領(lǐng)域。