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(guò)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(jí)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(guó)科學(xué)家（含國(guó)外高校和國(guó)內(nèi)高校）的身影,，讓我們來(lái)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(wú)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(guó)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(wú)人機(jī)艦隊(duì),。整個(gè)艦隊(duì)由2種無(wú)人機(jī)組成：一個(gè)是打印建造的BuilDrones，另一個(gè)監(jiān)督和評(píng)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(guó)理工提出的體系被稱(chēng)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(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)自主增材制造需要并行開(kāi)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(píng)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(wú)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(wú)需模板或臨時(shí)腳手架。

為了展示無(wú)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(guó)帝國(guó)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(guò),，目前該技術(shù)還受到一些限制，因?yàn)闊o(wú)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(guò)在項(xiàng)目研究期間自動(dòng)為無(wú)人機(jī)充電來(lái)緩解其中的一些問(wèn)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(guó)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(guò)程的優(yōu)勢(shì)(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(guò)程,，利用湮滅分子中的激子態(tài)產(chǎn)生相對(duì)于敏化劑吸收的反斯托克斯發(fā)射；有關(guān)該過(guò)程的完整描述見(jiàn)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(guò)與光引發(fā)劑耦合，可用于局部驅(qū)動(dòng)光聚合,。這個(gè)過(guò)程具有二次性質(zhì),，因?yàn)樾枰獫M(mǎn)足兩個(gè)三重態(tài)，但要求相對(duì)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(guò)程不需要由一個(gè)分子同時(shí)吸收兩個(gè)光子,。通過(guò)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(zhǎng)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(duì)這些挑戰(zhàn),，研究者首先開(kāi)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(guò)包封硅膠殼和溶解配體,，將上轉(zhuǎn)換引入樹(shù)脂。研究者進(jìn)一步引入激子策略來(lái)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(jí)。

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(guò)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?gòu)?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(guó)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(guò)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(guò)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(wèn)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(huì),。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(duì)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(jiǎn)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(lái)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(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的機(jī)器,，它利用水的表面張力來(lái)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(jí)作者、化學(xué)工程 Wagner 家族教授和 SEAS 物理學(xué)教授Vinothan Manoharan說(shuō)：“我們的工作提供了一種潛在的廉價(jià)方法來(lái)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(tái) 3D 打印機(jī),，就像在許多公共圖書(shū)館中發(fā)現(xiàn)的那樣,。”

這臺(tái)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(huì)吸引水。

通過(guò)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(huì)導(dǎo)致墻壁排斥浮子,。如果浮子在通道的狹窄部分，它會(huì)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(huì)隨著通道形狀的變化而變化,。如果浮標(biāo)開(kāi)始時(shí)位于較寬的通道中,，隨著水位下降，它可能會(huì)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(jí)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(lèi)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(kāi)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?xún)x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(chǔ)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(zhǎng)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(kāi)啟了周期極化鈮酸鋰晶體（又稱(chēng)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(wèn)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(xiě)，得到了納米線寬的三維鐵電疇結(jié)構(gòu),。在直寫(xiě)過(guò)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(chǎng)降低,，又在晶體內(nèi)部形成了一個(gè)有效電場(chǎng)。

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(chǎng)方向的分布特性決定了激光直寫(xiě)鐵電疇具有非互易特性,，即沿不同方向直寫(xiě)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(guò)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(guó)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(zhǎng)率，這超過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)率的組合,，超過(guò)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(jí)微結(jié)構(gòu)的高加工硬化能力,，所述分級(jí)微結(jié)構(gòu)為嵌入微米級(jí)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(duì)增材制造的高熵合金的變形行為的機(jī)械見(jiàn)解對(duì)于開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能的分級(jí),、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(jí)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(lèi)有前途的多主元素合金(也稱(chēng)為成分復(fù)雜的合金),可以形成雙相片層群落的分級(jí)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(guò)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(guò)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(lái)生產(chǎn)一種獨(dú)特類(lèi)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(jiàn)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(chǎng)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(guó)Albert Ludwig University of Freiburg大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)展合作,，在他們?nèi)�年前開(kāi)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(chēng)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(huì)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(duì)整個(gè)對(duì)象進(jìn)行3D 打�,。�

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(méi)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(kāi)發(fā)了一種特殊的樹(shù)脂材料,，其中包含玻璃納米顆粒，周?chē)�環(huán)繞著光敏粘合劑液體,。然后,，研究人員加熱打印出來(lái)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(guó)便士大小對(duì)比示例,。圖片來(lái)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(guò)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(duì)該技術(shù)也給予了高度認(rèn)可和評(píng)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(lái)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(duì),，通過(guò)能級(jí)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(guó)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(méi)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(lèi)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(guò)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(chǎng)來(lái)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(guò)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(guò)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(jiǎn)化了常規(guī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),，未來(lái)可能會(huì)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(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》）。

●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(chēng)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(xiě)制造實(shí)現(xiàn)突破�,。�詳細(xì)介紹）

2022年3月，國(guó)際頂級(jí)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(zhuān)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(lái),，鈣鈦礦成為光學(xué)領(lǐng)域的“新貴”,，這種納米級(jí)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(guò)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(xiě)技術(shù)可以在無(wú)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?cè)谠擃I(lǐng)域的重大突破之一,。在這之前，在材料內(nèi)部寫(xiě)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(xiě)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(shuō)「?jìng)鹘y(tǒng)的納米晶及其器件制備工藝復(fù)雜,，對(duì)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(xiě),，可以寫(xiě)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(xiě)形成的鈣鈦礦納米晶表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性,。「鈣鈦礦存在穩(wěn)定性差的缺陷,，光照,、熱處理、氧氣,、水蒸氣等,，都會(huì)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(guò)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(xiě)就可以,，無(wú)需封裝�,！棺T德志說(shuō),。為了檢測(cè)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(guò)激光直寫(xiě)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(lèi)器件可以在比較惡劣的條件下長(zhǎng)期使用,，這將大大延長(zhǎng)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(guò)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(chǔ),、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(kāi)辟了新的應(yīng)用場(chǎng)景,�,！白T德志說(shuō)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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