2022年發(fā)表在《Nature》和《Science》上的11篇3D打印論文

2022年結(jié)束了，過去的一年里3D打印行業(yè)跌宕起伏，但總體繼續(xù)向上發(fā)展，全球繼續(xù)涌現(xiàn)出一批高質(zhì)量的3D打印科研成果，并發(fā)表在《Nature》和《Science》等世界頂級期刊上。

本文南極熊將整理2022年在《Nature》和《Science》正刊上發(fā)表的11篇3D打印科研論文，其中有5篇論文中出現(xiàn)了中國科學(xué)家（含國外高校和國內(nèi)高校）的身影，讓我們來回顧一下2022年3D打印科研領(lǐng)域都有哪些重磅成果，整理的或有遺漏歡迎補(bǔ)充。

No.1 多無人機(jī)協(xié)同3D打印蓋房子，研究登上Nature封面（詳細(xì)介紹）

2022年9月，一項(xiàng)3D打印研究成果登上了《Nature》雜志封面，倫敦帝國理工學(xué)院和歐洲空間局(Empa)研究人員創(chuàng)建了一個(gè)以蜜蜂為靈感的3D打印無人機(jī)艦隊(duì)。整個(gè)艦隊(duì)由2種無人機(jī)組成：一個(gè)是打印建造的BuilDrones，另一個(gè)監(jiān)督和評估工作的ScanDrones。它們將用于難以進(jìn)入或危險(xiǎn)地區(qū)的建筑建造，還可以幫助災(zāi)后救援建設(shè)。

帝國理工提出的體系被稱為 Aerial-AM，它將生物合作機(jī)制與工程原理相結(jié)合，使用多個(gè)無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

無人機(jī)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)自主增材制造需要并行開發(fā)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中包括：
1）能夠進(jìn)行高精度材料沉積和打印質(zhì)量，實(shí)時(shí)定性評估的空中機(jī)器人；
2）空中機(jī)器人團(tuán)隊(duì)能夠相互廣播自己的活動(dòng)，無線共享數(shù)據(jù)，互不干擾；
3）自主導(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，結(jié)合打印路徑策略自適應(yīng)地確定和分配制造任務(wù)；
4）設(shè)計(jì)或選擇材料規(guī)劃，特別是輕質(zhì)和可打印的水泥混合物，適用于空中增材制造方法，無需模板或臨時(shí)腳手架。

為了展示無人機(jī)的能力，研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質(zhì)水泥材料，建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結(jié)構(gòu)。與預(yù)想的原始藍(lán) 圖相比，誤差不到 5 毫米。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、英國帝國理工學(xué)院空中機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任 Mirko Kovac 表示：這種方法可以用于在北極甚至火星上建造建筑物，或者幫助修復(fù)通常需要昂貴的腳手架的高層建筑。

不過，目前該技術(shù)還受到一些限制，因?yàn)闊o人機(jī)難以承載重物，需要定期充電，并且仍然需要人工監(jiān)督。然而，研究人員表示，他們希望通過在項(xiàng)目研究期間自動(dòng)為無人機(jī)充電來緩解其中的一些問題。

No.2  《Nature》：體積3D打印技術(shù)再迎突破（詳細(xì)介紹）

2022年4月，美國斯坦福大學(xué)的Daniel N. Congreve等研究者，在小于4毫瓦的連續(xù)波激發(fā)下，實(shí)現(xiàn)了三重態(tài)融合上轉(zhuǎn)換的體積打印。相關(guān)論文以題為“Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing”于發(fā)表在Nature上。

研究者展示了二次過程的優(yōu)勢(下圖 a, b)，顯示了激發(fā)光束焦點(diǎn)處的上轉(zhuǎn)換。這種上轉(zhuǎn)換過程，利用湮滅分子中的激子態(tài)產(chǎn)生相對于敏化劑吸收的反斯托克斯發(fā)射；有關(guān)該過程的完整描述見下圖c。至關(guān)重要的是，最后的上轉(zhuǎn)換步驟需要兩個(gè)激發(fā)的湮滅三聯(lián)態(tài)碰撞，它們?nèi)诤闲纬梢粋�(gè)更高能量的湮滅單線態(tài)，然后釋放藍(lán)光，通過與光引發(fā)劑耦合，可用于局部驅(qū)動(dòng)光聚合。這個(gè)過程具有二次性質(zhì)，因?yàn)樾枰獫M足兩個(gè)三重態(tài)，但要求相對較低的光將由于高感光劑的吸收系數(shù)與雙光子吸收(2 PA)，因?yàn)檫@個(gè)過程不需要由一個(gè)分子同時(shí)吸收兩個(gè)光子。通過明智地選擇敏化劑和湮滅劑，三態(tài)融合上轉(zhuǎn)換在激發(fā)和發(fā)射波長中也很容易調(diào)諧。

圖. 三重態(tài)融合上轉(zhuǎn)換3D打印

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究者首先開發(fā)了一種調(diào)整上轉(zhuǎn)換閾值的策略。研究者選擇9,10-雙((三異丙基硅基)乙基)蒽(TIPS-蒽)作為湮滅劑，選擇鈀(II)-中四苯基四苯基卟啉(PdTPTBP)作為敏化劑。研究者使用三重態(tài)融合上轉(zhuǎn)換，在小于4毫瓦的連續(xù)波激發(fā)下實(shí)現(xiàn)了體積打印。通過包封硅膠殼和溶解配體，將上轉(zhuǎn)換引入樹脂。研究者進(jìn)一步引入激子策略來系統(tǒng)地控制上轉(zhuǎn)換閾值，以支持單像素或并行打印方案，打印的功率密度比基于雙光子的3D打印所需的功率密度低幾個(gè)數(shù)量級。

No.3 《Nature》：顛覆傳統(tǒng)工藝！增材制造高度孿晶結(jié)構(gòu)和高硬度微結(jié)構(gòu)金屬！（詳細(xì)介紹）

2022年11月，加州理工大學(xué)Max A. Saccone ，Daryl W. Yee和Julia R. Greer等人通過vat光聚合技術(shù)(vat photopolymerization, VP)生產(chǎn)具有微尺度分辨率的金屬和合金的增材制造技術(shù)，具有3D結(jié)構(gòu)的水凝膠被注入到金屬前驅(qū)體，然后進(jìn)行燒結(jié)和還原，從而將水凝膠支架轉(zhuǎn)化為微型金屬復(fù)制品。相關(guān)研究成果以題“Additive manufacturing of micro-architected metals via hydrogel infusion”發(fā)表在國際著名期刊Nature上。

圖 水凝膠注入增材制造工藝流程示意圖。a、HIAM流程示意圖。PEGda-/DMF基的3D打印有機(jī)凝膠結(jié)構(gòu)在浸出個(gè)光活性化合物、溶劑交換和注入適當(dāng)?shù)乃�前�?qū)體后轉(zhuǎn)化為注入水凝膠副本。隨后在空氣中煅燒形成金屬氧化物結(jié)構(gòu)，在形成氣體時(shí)還原為金屬。b-e，銅金屬的HIAM工藝。f，通過HIAM制造的其他金屬包括Ag和Ni，二元合金CuNi，高熵合金CuNiCoFe和耐火合金W-Ni。g，八面體晶格，一端注入Cu(NO3)2，另一端注入Co(NO3)2。經(jīng)過煅燒和還原，Cu/Co凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)閔，一種Cu/Co多材料。i，幾種不同注入凝膠的平行煅燒。比例尺:b、c、5 mm；d-f 1毫米；g, 1厘米；h, 2毫米；i,2厘米。

HIAM工藝能夠使用一種通用的方法構(gòu)造微結(jié)構(gòu)金屬3D結(jié)構(gòu)。聚合物支架內(nèi)的金屬鹽轉(zhuǎn)化為金屬氧化物，并隨后還原為金屬和合金，只需要目標(biāo)材料具有水溶性前體，且煅燒后形成的中間氧化物可以被氫氣還原。使用這種可訪問的高分辨率工藝制造金屬的能力為制造能源材料、微機(jī)電系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備提供了新的機(jī)會。由于只有在零件成型后才選擇材料，因此定向灌注可以制造金屬多材料。前所未有的成分靈活性使多組分合金的制造成為可能，如高熵合金和耐火合金，已知具有導(dǎo)致優(yōu)越高溫行為和提高屈服強(qiáng)度的金屬間相。HIAM提供了一種實(shí)用而強(qiáng)大的功能，可以應(yīng)用到蓬勃發(fā)展的VP打印生態(tài)系統(tǒng)中，因而對工業(yè)使用有著直接的影響。

No.4 《Nature》：3D打印1微米的細(xì)絲，用簡單的機(jī)器為更強(qiáng)大的手機(jī)和 WiFi 鋪平道路（詳細(xì)介紹）

2022年10月，來自哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的一組研究人員開發(fā)了一種簡單的機(jī)器，它利用水的表面張力來抓取和操縱微觀物體，為納米制造創(chuàng)造了可能。

這項(xiàng)研究以題為“3D-printed machines that manipulate microscopic objects using capillary forces”的論文被發(fā)表在《Nature》期刊上。

△利用毛細(xì)管排斥力誘捕和操縱物體。

論文的高級作者、化學(xué)工程 Wagner 家族教授和 SEAS 物理學(xué)教授Vinothan Manoharan說：“我們的工作提供了一種潛在的廉價(jià)方法來制造微結(jié)構(gòu)和可能的納米結(jié)構(gòu)材料。與激光鑷子等其他顯微操作方法不同，我們的機(jī)器可以輕松制造。我們使用一箱水和一臺 3D 打印機(jī)，就像在許多公共圖書館中發(fā)現(xiàn)的那樣�！�

這臺機(jī)器是一個(gè) 3D 打印的塑料矩形，大小與舊任天堂墨盒差不多。該設(shè)備的內(nèi)部雕刻有相交的通道。每個(gè)通道都有寬窄的部分，就像一條在某些地方擴(kuò)張而在其他地方變窄的河流。通道壁是親水的，這意味著它們會吸引水。

通過一系列模擬和實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們將設(shè)備浸入水中并在通道中放置一個(gè)毫米大小的塑料浮子時(shí)，水的表面張力會導(dǎo)致墻壁排斥浮子。如果浮子在通道的狹窄部分，它會移動(dòng)到較寬的部分，在那里它可以盡可能遠(yuǎn)離墻壁漂浮。

一旦進(jìn)入通道的較寬部分，浮子將被困在中心，由墻壁和浮子之間的排斥力保持在適當(dāng)?shù)奈恢�。�?dāng)設(shè)備從水中提起時(shí)，排斥力會隨著通道形狀的變化而變化。如果浮標(biāo)開始時(shí)位于較寬的通道中，隨著水位下降，它可能會發(fā)現(xiàn)自己處于狹窄的通道中，需要向左或向右移動(dòng)以找到更寬的位置。

然后，研究人員將微觀纖維附著在漂浮物上。隨著水位的變化和浮子在通道內(nèi)向左或向右移動(dòng)，纖維相互纏繞。

然后，該團(tuán)隊(duì)添加了第三個(gè)帶有纖維的浮子，并設(shè)計(jì)了一系列通道以編織模式移動(dòng)浮子。他們成功地編織了合成材料凱夫拉纖維的微米級纖維。辮子就像傳統(tǒng)的三股發(fā)辮，只是每根纖維比一根人類頭發(fā)小 10 倍。

研究人員隨后表明，漂浮物本身可能是微觀的。他們制造了可以捕獲和移動(dòng)大小為 10 微米的膠體顆粒的機(jī)器——盡管這些機(jī)器要大一千倍。

No. 5 《Nature》：南京大學(xué)張勇等發(fā)明用激光3D打印納米鐵電疇（詳細(xì)介紹）
2022年9月，南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型非互易飛秒激光極化納米鐵電疇技術(shù)，并在鈮酸鋰晶體中成功演示了激光3D打印納米鐵電疇，相關(guān)工作以"Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains"為題發(fā)表在《Nature》上。論文通訊作者為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張勇教授，第一作者為頊曉儀博士和王天新同學(xué)，論文工作得到了肖敏教授和祝世寧教授的悉心指導(dǎo)，上海理工大學(xué)顧敏教授和南京大學(xué)吳迪教授提供了重要支持，合作者還包括上海理工大學(xué)方心遠(yuǎn)副教授和中山大學(xué)魏敦釗副教授等。

鈮酸鋰得益于其優(yōu)越的透射譜范圍、非線性光學(xué)系數(shù)、電光和壓電性能，是下一代5G/6G通訊和光子芯片的重要載體。特別的是，在鈮酸鋰晶體中制備鐵電疇結(jié)構(gòu)，在非線性光學(xué)、聲學(xué)濾波器、非易失鐵電存儲等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

早在上個(gè)世紀(jì)八十年代，南京大學(xué)的研究小組就采用晶體生長條紋技術(shù)在鈮酸鋰晶體中得到了周期為幾微米的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了準(zhǔn)相位匹配原理，開啟了周期極化鈮酸鋰晶體（又稱非線性光子晶體）在激光變頻、量子光源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

要進(jìn)一步提升鈮酸鋰鐵電疇器件的性能，亟需在三維空間實(shí)現(xiàn)納米精度的鐵電疇結(jié)構(gòu)可控制備。然而，受限于傳統(tǒng)加工技術(shù)，該問題一直是困擾研究人員的巨大挑戰(zhàn)。

此次，南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型非互易激光極化鐵電疇技術(shù)，將飛秒脈沖激光聚焦于鈮酸鋰晶體內(nèi)部進(jìn)行直寫，得到了納米線寬的三維鐵電疇結(jié)構(gòu)。在直寫過程中，鈮酸鋰晶體在高強(qiáng)度激光作用下發(fā)生多光子吸收，導(dǎo)致局部晶體溫度升高，既使得鈮酸鋰晶體的局域矯頑場降低，又在晶體內(nèi)部形成了一個(gè)有效電場。

在二者共同作用下，晶體內(nèi)部形成一個(gè)有效區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)鐵電疇極化反轉(zhuǎn)。同時(shí)，有效電場方向的分布特性決定了激光直寫鐵電疇具有非互易特性，即沿不同方向直寫可以實(shí)現(xiàn)不同線寬的鐵電疇極化以及反極化。

△飛秒激光3D打印納米鐵電疇

研究人員利用這一特性設(shè)計(jì)了不同的加工工藝，在三維空間上均實(shí)現(xiàn)了突破衍射極限的鐵電疇線寬控制，實(shí)驗(yàn)中成功制備出線寬為100 nm~400 nm的條形鐵電疇和尖端寬度為30 nm的楔形鐵電疇。

同時(shí)，還演示了鐵電疇結(jié)構(gòu)從一維向二維和三維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)了高效非線性光束整形。此外，該加工方法得到的鐵電疇具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過兩年的時(shí)效處理或者300℃高溫處理后依然穩(wěn)定存在。

No.6 《Nature》：增材制造得到高強(qiáng)度且高韌性的納米片層高熵合金（詳細(xì)介紹）

2022年8月，美國麻省大學(xué)陳文教授與佐治亞理工學(xué)院朱廷教授團(tuán)隊(duì)合作在Nature發(fā)表成果，使用L-PBF打印了AICoCrFeNi2.1的雙相納米層狀高熵合金(HEAs)，其表現(xiàn)出約1.3GPa的高屈服強(qiáng)度和約14%的大均勻伸長率，這超過了其他先進(jìn)的金屬3D打印材料。

增材制造為工程應(yīng)用逐層生產(chǎn)網(wǎng)狀部件。通過激光粉末床熔融(L-PBF)進(jìn)行金屬合金的增材制造涉及大的溫度梯度和快速冷卻，這使得微觀結(jié)構(gòu)在納米尺度上重新細(xì)化以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。然而，通過激光增材制造生產(chǎn)的高強(qiáng)度納米結(jié)構(gòu)合金通常延展性有限。在這里，我們使用L-PBF打印AlCoCrFeNi2.1的雙相納米片層高熵合金(HEAs)，該合金表現(xiàn)出約1.3千兆帕斯卡的高屈服強(qiáng)度和約14%的大均勻伸長率的組合，超過了其他最先進(jìn)的增材制造的金屬合金。


高屈服強(qiáng)度源于由交替的面心立方和體心立方納米片晶組成的雙相結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效應(yīng)；體心立方納米片層比面心立方納米片層顯示出更高的強(qiáng)度和更高的硬化速率。大的拉伸延展性歸因于印刷的分級微結(jié)構(gòu)的高加工硬化能力，所述分級微結(jié)構(gòu)為嵌入微米級共晶團(tuán)的雙相納米片晶的形式，其具有幾乎隨機(jī)的取向以促進(jìn)各向同性的機(jī)械性能。對增材制造的高熵合金的變形行為的機(jī)械見解對于開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能的分級、雙相和多相、納米結(jié)構(gòu)合金具有廣泛的意義。

增材制造通常在金屬材料中產(chǎn)生具有高度不均勻晶粒幾何形狀、亞晶位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和化學(xué)偏析的微結(jié)構(gòu)，包括鋼、鈷基或鎳基超級合金、鋁合金、鈦合金和高熵合金(HEAs)。共晶高熵合金代表了一類有前途的多主元素合金(也稱為成分復(fù)雜的合金),可以形成雙相片層群落的分級微結(jié)構(gòu)，從而為實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械性能提供了巨大的潛力。然而，通過傳統(tǒng)的凝固途徑，薄片的厚度通常在微米或亞微米的范圍內(nèi)，這限制了這些薄片可達(dá)到的強(qiáng)度。相比之下，納米層狀和納米層狀金屬表現(xiàn)出高強(qiáng)度，但是以低延展性為代價(jià)的。這些材料是通過薄膜沉積或劇烈塑性變形制備的，這通常導(dǎo)致具有強(qiáng)塑性各向異性的高度織構(gòu)化的納米結(jié)構(gòu)，從而限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。在這里，我們利用激光粉末床熔融(L-PBF)的極端打印條件和高熵合金的有利組成效應(yīng)來生產(chǎn)一種獨(dú)特類型的遠(yuǎn)離平衡的微結(jié)構(gòu)，其形式為嵌入AlCoCrFeNi2.1EHEA中的雙相納米片層，如圖。這種增材制造的EHEA展示了強(qiáng)度和延展性的優(yōu)異組合以及近乎各向同性的機(jī)械性能。

圖.增材制造的AlCoCrFeNi2.1 EHEA的微結(jié)構(gòu)。a、印刷散熱風(fēng)扇、八位晶格(支柱尺寸約300微米)和齒輪(從左至右)。b、AlCoCrFeNi2.1 EHEA的三維重建光學(xué)顯微照片。層間邊界、熔池邊界和激光掃描軌跡分別用藍(lán)線、橙線和紅箭頭表示。構(gòu)建方向(BD)是垂直的。c、印刷的AlCoCrFeNi2.1 EHEA的橫截面EBSD IPF圖，顯示了放大的局部區(qū)域，其中相鄰的納米片狀共晶團(tuán)表現(xiàn)出不同的結(jié)晶取向。為了更好地顯示更精細(xì)的體心立方納米片層，插圖顯示了雙色EBSD相位圖，面心立方片層為藍(lán)色，體心立方片層為紅色。值得注意的是，由于bcc納米片層的厚度很小，接近EBSD的分辨率極限，所以它們是指數(shù)不足的(參見補(bǔ)充圖3雙相納米片層共晶團(tuán)的形態(tài))。d、納米層狀結(jié)構(gòu)的二次電子顯微照片。e、bcc和fcc納米片晶的明場TEM圖像(分別由紅點(diǎn)和綠點(diǎn)表示)，插圖顯示分別傾斜于區(qū)域軸(B)的bcc和fcc的PED圖案。f、AlCoCrFeNi2.1 EHEA中bcc(左)和fcc(右)片層的片層厚度分布。g、HAADF-STEM圖像顯示了體心立方片層內(nèi)的調(diào)制納米結(jié)構(gòu)。h、100×78×5 nm3截面中元素分布的APT圖，中心為fcc/bcc界面。納米尺度的富Ni–Al和富Co–Cr–Fe區(qū)域顯示了體心立方片晶內(nèi)的化學(xué)波動(dòng)。

No.7 Science封面文章：體曝光固化3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)（詳細(xì)介紹）

2022年4月，一項(xiàng)體積光固化3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)新研究登上了《科學(xué)》雜志封面，“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”，加州大學(xué)伯克利分校研究人員的這種方法速度更快，可以生產(chǎn)出具有更高光學(xué)質(zhì)量、設(shè)計(jì)靈活和強(qiáng)度更高物體。

研究人員與德國Albert Ludwig University of Freiburg大學(xué)的科學(xué)家開展合作，在他們?nèi)�年前開發(fā)的3D打印工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了新的突破（計(jì)算軸向光刻CAL）。以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的玻璃構(gòu)造，他們將這個(gè)新系統(tǒng)稱為“micro-CAL”。

CAL工藝與現(xiàn)有的3D打印工藝有著根本性的不同，傳統(tǒng)的方法使用薄層材料構(gòu)建物體。這種技術(shù)可能會耗費(fèi)大量時(shí)間并導(dǎo)致粗糙的表面紋理。然而，CAL可同時(shí)對整個(gè)對象進(jìn)行3D 打印：

研究人員將激光投射到光敏材料中，形成一個(gè)三維光催化，然后固化成所需的形狀。CAL工藝沒有層紋，可實(shí)現(xiàn)光滑的表面和復(fù)雜的幾何形狀。

為了打印玻璃，Taylo和他的研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種特殊的樹脂材料，其中包含玻璃納米顆粒，周圍環(huán)繞著光敏粘合劑液體。然后，研究人員加熱打印出來的物體，去除粘合劑，將顆粒融合在一起，形成一個(gè)純玻璃的固體物體。

△3D打印的玻璃結(jié)構(gòu)，與美國便士大小對比示例。圖片來自Joseph Toombs

No.8 《Science》清華團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)激光納米3D打印技術(shù)新突破 （詳細(xì)介紹）

2022年10月，清華大學(xué)精密儀器系孫洪波教授、林琳涵副教授課題組提出了一種全新的納米顆粒激光3D打印技術(shù)，利用光生高能載流子調(diào)控納米顆粒表面化學(xué)活性，實(shí)現(xiàn)納米粒子間化學(xué)鍵合的三維裝配。

研究團(tuán)隊(duì)在世界范圍內(nèi)首次應(yīng)用了全新的打印原理并展示了多種不同納米粒子的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在納米粒子器件化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的突破。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超越光學(xué)衍射極限的高精度激光微納制造，打印點(diǎn)陣列密度超過20000ppi，為超高分辨功能器件的制備提供了新思路。芝加哥大學(xué)Dmitri V. Talapin教授對該技術(shù)也給予了高度認(rèn)可和評價(jià)。

△光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合的原理示意圖

該成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上，題為“光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)3D納米打印”（3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding）。

研究團(tuán)隊(duì)提出了光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合的新原理，實(shí)現(xiàn)了納米粒子的激光三維裝配技術(shù)，以各種納米粒子作為原料來組裝三維納米器件。以核殼結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)為例，利用激光激發(fā)量子點(diǎn)產(chǎn)生電子-空穴對，通過能級匹配，驅(qū)動(dòng)光生空穴的隧穿和表面遷移，促使量子點(diǎn)表面配體脫附并形成活性化學(xué)位點(diǎn)，進(jìn)而誘導(dǎo)量子點(diǎn)的表面化學(xué)成鍵，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)之間的高效組裝。

△量子點(diǎn)3D納米打印結(jié)構(gòu)形貌及熒光圖

No.9 《Science》：3D打印超材料微型機(jī)器人，鄭小雨教授團(tuán)隊(duì)（詳細(xì)介紹）

2022年6月,《Science》雜志刊登了一篇美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）研究團(tuán)隊(duì)的論文，論文介紹了一種3D打印的超材料微型機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)自由的行走、避障甚至跳躍。

此次打印的微型機(jī)器人使用超材料，只有硬幣大小，只需要為機(jī)器人供電，它就能夠可按照設(shè)置的程序自行移動(dòng)，沒有復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)。

這項(xiàng)項(xiàng)研究的首席研究員、UCLA工程學(xué)院助理教授鄭小雨表示：新方法將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)、多種傳感模式和可編程決策能力緊密集成在一起，類似于生物系統(tǒng)中的神經(jīng)、骨骼和肌腱協(xié)同工作，以執(zhí)行受控運(yùn)動(dòng)。

通過3D打印技術(shù)制造特定的晶格結(jié)構(gòu)，并將不同的晶格結(jié)構(gòu)組合在一起，就能實(shí)現(xiàn)特定的功能。比如論文中使用的壓電超材料是一種復(fù)雜的晶格材料，可以根據(jù)電場來改變形狀和移動(dòng)，也可以基于外界受力而產(chǎn)生電荷。將多個(gè)微型機(jī)器人單元組合成特定的形狀，在通電之后每個(gè)單元的形狀改變，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)的效果。通過改變電源的電壓、頻率等參數(shù)，還可以讓微信機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式發(fā)生變化。

研究人員在視頻中展示了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式，轉(zhuǎn)向模式，跳躍模式，受到攻擊之后轉(zhuǎn)向，過S彎以及砂石路面上的行走。

這個(gè)3D打印的超材料微型機(jī)器人的尺寸僅有一枚硬幣大小，大大簡化了常規(guī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，未來可能會有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。比如在生物醫(yī)療領(lǐng)域，制作微型體內(nèi)“游泳機(jī)器人”，也可以用于宏觀尺寸的危險(xiǎn)環(huán)境探索等。

No. 10  《Science》：飛秒雙光子激光納米3D打印新突破 （詳細(xì)介紹）

2022年12月，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(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的材料組裝進(jìn)行三維納米制造》）。

●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(shí)間才能完成設(shè)計(jì)，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(gè)圖像包含數(shù)十萬個(gè)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(xiàng)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。

No.11 《Science》：浙大邱建榮團(tuán)隊(duì)超快激光3D直寫制造實(shí)現(xiàn)突破�。�詳細(xì)介紹）

2022年3月，國際頂級期刊《科學(xué)》發(fā)表論文Three-dimensional direct lithography of stable perovskite nanocrystals in glass。該論文主要由浙江大學(xué)邱建榮教授團(tuán)隊(duì)與之江實(shí)驗(yàn)室光電智能計(jì)算研究中心研究專家譚德志團(tuán)隊(duì)合作完成，邱建榮和譚德志博士為論文共同第一作者、共同通訊作者。 丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征院士團(tuán)隊(duì)、上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)劉召軍教授團(tuán)隊(duì)等也給予了諸多指導(dǎo)和大力支持。

近年來，鈣鈦礦成為光學(xué)領(lǐng)域的“新貴”，這種納米級別的半導(dǎo)體材料，由于其特殊的發(fā)光性能，在顯示及照明等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。具有不同組成元素的鈣鈦礦納米晶具有不同的半導(dǎo)體帶隙寬度，在紫外光或者藍(lán)光照射下可以發(fā)出不同顏色的光。研究團(tuán)隊(duì)通過精心設(shè)計(jì)及一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超快激光3D直寫技術(shù)可以在無色透明玻璃內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶隙可控、任意形狀的三維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)�！袄�用激光直接改變納米晶的發(fā)光顏色，實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光連續(xù)可調(diào)，是我們在該領(lǐng)域的重大突破之一。在這之前，在材料內(nèi)部寫入發(fā)光連續(xù)可調(diào)的微納結(jié)構(gòu)幾乎是超乎想象的�！弊T德志表示。

為了獲得理想的超快激光直寫工藝，團(tuán)隊(duì)成功燒制出了均勻透明的前驅(qū)體玻璃，使得三維半導(dǎo)體納米晶結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。譚德志進(jìn)一步解釋說「傳統(tǒng)的納米晶及其器件制備工藝復(fù)雜，對制備環(huán)境要求高，成本高，且只能構(gòu)筑二維結(jié)構(gòu)。我們的技術(shù)是在玻璃中直寫，可以寫出任意想要的形狀，實(shí)現(xiàn)納米晶的三維構(gòu)造�！�

該項(xiàng)研究的另一突破就是利用超快激光在玻璃內(nèi)3D直寫形成的鈣鈦礦納米晶表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性�！糕}鈦礦存在穩(wěn)定性差的缺陷，光照、熱處理、氧氣、水蒸氣等，都會使其從光電性能良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，所以必須經(jīng)過嚴(yán)苛的封裝處理。而我們的技術(shù)是直接在玻璃內(nèi)激光直寫就可以，無需封裝�！棺T德志說。為了檢測納米晶的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)將制備后的材料放在強(qiáng)光下照射、在高溫火爐內(nèi)炙烤、在酒精中浸泡，甚至將玻璃碾碎成玻璃渣，在上述極端條件下，通過激光直寫的鈣鈦礦納米晶的發(fā)光特性依然穩(wěn)定。這些穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)充分表明該類器件可以在比較惡劣的條件下長期使用，這將大大延長相關(guān)顯示及照明設(shè)備的使用壽命。”我們的技術(shù)可以減少納米晶及其光電器件的制備工序，且所有過程不涉及到任何有機(jī)物，大大降低成本，同時(shí)提高了材料與器件的穩(wěn)定性。我們的研究表明納米晶玻璃在高密度數(shù)據(jù)存儲、micro-LED、3D顯示、全息顯示等多個(gè)領(lǐng)域都將大有可為。我們的工作為超快激光極端制造以及玻璃等多個(gè)領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用場景�！白T德志說道。

總結(jié)

以上就是南極熊整理的2022年發(fā)表在《Nature》和《Science》上的11篇3D打印論文，供科研界的朋友查閱。

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