研究人員利用光3D打印納米螺旋結(jié)構(gòu)，該方法既簡單且可擴展

2024年3月19日，南極熊獲悉，密歇根大學的研究人員開發(fā)了一種簡單且可擴展的方法，用于制造3D螺旋結(jié)構(gòu)。這對于3D打印行業(yè)來說可能是一個重要的突破，因為螺旋結(jié)構(gòu)在許多應用中都具有重要意義，比如在光學、電子學和生物醫(yī)學領(lǐng)域。這種新方法可能會推動3D打印技術(shù)在制造復雜結(jié)構(gòu)時的應用，并為相關(guān)行業(yè)帶來創(chuàng)新和發(fā)展。

△分別使用左螺旋光和右螺旋光形成的納米螺旋的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像

密歇根大學化學科學與工程系Irving Langmuir特聘大學教授Nicholas Kotov是這項研究的共同通訊作者，他說："我們的動機之一是大幅簡化復雜材料的制造過程，這些材料是當前許多技術(shù)的瓶頸所在�！�

△該研究已發(fā)表在《美國國家科學院院刊》，研究題目為“利用圓偏振光直寫3D打印等離子體納米螺旋”（傳送門）

研發(fā)技術(shù)背景

手性表面，即表面缺乏鏡面對稱性（如左手和右手），具有在納米尺度上彎曲光線的能力，因此需求量很大。新研究展示了一種通過3D打印納米級螺旋 "森林 "來制造它們的方法。將螺旋軸與光束對齊可產(chǎn)生強烈的光學旋轉(zhuǎn)，從而使手性能在健康和信息技術(shù)領(lǐng)域得到利用，而手性在這些領(lǐng)域很常見。

等離子金屬制成的手性表面更為理想，因為它們可以生產(chǎn)出大批靈敏度極高的生物檢測器。例如，它們可以檢測由危險的抗藥性細菌、變異蛋白質(zhì)或DNA產(chǎn)生的特定生物分子，有助于開發(fā)有針對性的療法。這些材料還具有推動信息技術(shù)發(fā)展的潛力，通過利用光與電子系統(tǒng)（即光纖電纜）的相互作用，可產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)存儲容量和更快的處理速度。

△通過螺旋光3D打印螺旋納米結(jié)構(gòu)，提供了比納米光刻更簡單、更便宜的替代方案。該示意圖展示了帶有電動平臺的圓偏振光驅(qū)動打印系統(tǒng)

利用光3D打印螺旋納米結(jié)構(gòu)

盡管這些由直立螺旋制成的特殊3D結(jié)構(gòu)表面非常重要，但制造它們的傳統(tǒng)方法復雜、昂貴，并且會產(chǎn)生大量浪費。

雖然3D打印已被建議作為替代方案，但現(xiàn)有的3D打印技術(shù)不允許納米級分辨率。這些材料通常需要使用高度專業(yè)化的硬件，比如雙光子3D光刻技術(shù)或電子束誘導沉積技術(shù)來制造。只有少數(shù)高端設(shè)備才能勝任這項任務(wù)。另外，這些方法精確度很高，但需要在低壓或高溫條件下進行耗時的多步驟加工。

作為解決方案，密歇根大學研究團隊開發(fā)了一種方法，使用螺旋光束產(chǎn)生具有特定旋向和螺距的納米級螺旋。

△圓偏振激光束（CPL）驅(qū)動的銀納米螺旋的合成沿著基底表面的法線方向取向

Kotov說：“使用廉價的中等功率激光器，可以在幾分鐘內(nèi)制作出厘米級的手性等離子體表面。這些螺旋林的生長速度之快令人驚嘆。”

利用螺旋光3D打印螺旋結(jié)構(gòu)是基于麻省理工學院十年前發(fā)現(xiàn)的光到物質(zhì)手性轉(zhuǎn)移技術(shù)。

利用銀鹽水溶液進行的單步、無掩模、直接寫入打印技術(shù)為納米光刻技術(shù)提供了替代方案，同時推動了增材制造技術(shù)的發(fā)展。光驅(qū)動打印金屬螺旋的加工簡易性、高偏振旋轉(zhuǎn)性和精細空間分辨率將大大加快下一代光學芯片復雜納米結(jié)構(gòu)的制備。