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(lái)創(chuàng)建具有納米級(jí)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?jī)?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(jí)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(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn),。



為了解決上述問(wèn)題，來(lái)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(kù)來(lái)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(guò)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》）,。

研究背景

趙教授的生物光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要開(kāi)發(fā)研究細(xì)胞和組織中的生物和病理過(guò)程的新技術(shù)，稱為膨脹顯微鏡過(guò)程,，該實(shí)驗(yàn)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(jí)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(wèn)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的來(lái)自香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)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(shuō)：“Shih-Chi 以發(fā)明超快雙光子光刻系統(tǒng)而聞名,，我們?cè)谒�訪問(wèn)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(shí)來(lái)追求科研的進(jìn)步,�,！彼麄冋J(rèn)為可以利用綜合專業(yè)知識(shí)為微加工領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)找到新的解決方案：開(kāi)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(gè)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(jí)分辨率。他們合作的結(jié)果為設(shè)計(jì)復(fù)雜的納米設(shè)備打開(kāi)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(guò)程和結(jié)果
傳統(tǒng)的 3D 納米級(jí)打印機(jī)聚焦激光點(diǎn)以連續(xù)處理材料并需要很長(zhǎng)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(wàn)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,。



在這個(gè)過(guò)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(shuō):“由于偶然的機(jī)會(huì)，我們嘗試的納米材料都被自動(dòng)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���,，如果將打印的水凝膠放入銀納米顆粒溶液中，銀納米顆粒會(huì)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(lái)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(chǔ)和加密中的應(yīng)用



為了演示該技術(shù)在加密光存儲(chǔ)中的用途,，例如如何用激光寫入和讀取 CD 和 DVD，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)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(gè) 200x200 像素的字母全息圖。樣品收縮后,，整個(gè)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(lái)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(gè)微小的立方厘米空間中打包 5 PB 的信息,。這大約是美國(guó)所有學(xué)術(shù)研究圖書館總和的 2.5 倍。未來(lái)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(dòng)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?cái)U(kuò)展到其他水溶性或分散性材料，而無(wú)需進(jìn)一步的化學(xué)設(shè)計(jì),。通過(guò)將該策略應(yīng)用于其他高通量光學(xué)平臺(tái)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(tái)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(huì)影響光學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)領(lǐng)域,。