《Nature Communications》用于均勻收縮 3D 打印微米和納米結(jié)構(gòu)材料的拾取和放置工藝

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

新加坡科技設(shè)計大學(xué)(SUTD),、湖南大學(xué),、湖南大學(xué)粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院和新加坡國立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)報道了一種用于均勻收縮 3D 打印微米和納米結(jié)構(gòu)材料的拾取和放置工藝,。相關(guān)研究以“Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上,。

在增材制造技術(shù)中,，雙光子聚合光刻技術(shù)（TPL）是最有希望制造微米和納米級特征的技術(shù)之一，TPL技術(shù)具有極高設(shè)計自由度和超高精度的特點(diǎn),，有望制造定制的微納米級特征的三維結(jié)構(gòu),，極大地促進(jìn)了力學(xué)、微流體,、微型機(jī)器人和生物學(xué)等領(lǐng)域的研究,。此外，熱解收縮技術(shù)還能縮短三維光子晶體的晶格常數(shù),，提高其分辨率和機(jī)械性能,。然而，由于加熱過程中的襯底固定,，因此這種技術(shù)存在收縮不均勻的問題,。到目前為止，沒有任何方法可以使得整個3D打印的均勻收縮,。

研究人員報道了一種使用聚乙烯醇（PVA）作為功能層來實(shí)現(xiàn)3D打印結(jié)構(gòu)均勻收縮的簡單方法,。將3D打印結(jié)構(gòu)從原基底上的 PVA 層剝離并轉(zhuǎn)移到接收基底上，使打印結(jié)構(gòu)的基底與接收基底之間形成微弱的相互作用,。PVA 是一種水溶性聚合物,，可以在使用有機(jī)溶劑的顯影過程中存留，但很容易溶解于水,，這意味著3D結(jié)構(gòu)可以很容易地從原始基底上分離,。隨后，對接收基底上的3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱和收縮,。PVA 功能層是該方法的一個優(yōu)勢,，可減輕結(jié)構(gòu)與基底之間的粘附力。研究人員制作了具有各種微米級和納米級特征的結(jié)構(gòu),，并在光學(xué)和電子顯微鏡下觀察到均勻收縮,，從而證明了這一工藝的能力。

圖1：制造過程的概念和示意圖,。

研究人員測量了所制備結(jié)構(gòu)的表面粗糙度,、表面自由能和附著力，以了解均勻收縮的機(jī)制,。研究人員展示了各種形狀和尺寸的3D打印樣品在沒有犧牲支撐結(jié)構(gòu)的情況下成功實(shí)現(xiàn)均勻熱收縮的過程,，并觀察到接收襯底的表面特性是實(shí)現(xiàn)均勻收縮的重要因素。

圖2：具有微觀特征的3D打印模型的均勻收縮,。

研究人員制作了一個由納米級特征尺寸組成的木堆光子晶體結(jié)構(gòu),，以進(jìn)一步檢驗(yàn)該方法的能力。圖3顯示了不同基材上的打印和后處理木樁結(jié)構(gòu)的SEM圖像,，加熱到395°C并保持5分鐘,。

圖3:不同基材上的收縮結(jié)果比較。

圖 4 顯示了在明場反射照明下打印和后處理的木樁結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像和相應(yīng)的光學(xué)圖像,。

圖 4：后處理前后的光譜性能比較,。

此外，研究人員還打印了一個色彩豐富,、不變形的三維吉祥物模型,，然后對其進(jìn)行均勻收縮，并縮小到70μm大小,。利用無色木堆結(jié)構(gòu)光子晶體產(chǎn)生了鮮艷的色彩,。該研究所提出的方法在力學(xué)、光學(xué)和光子學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。圖 5 中的明場和暗場照明下的反射光學(xué)圖像顯示了通過制備兩個版本（坐著和躺著）,，從不同角度觀察的打印時和打印后的3D吉祥物,。

圖5：具有納米級特征的三維光子晶體吉祥物的均勻收縮。

這項(xiàng)技術(shù)可輕松控制3D結(jié)構(gòu)在任何形狀,、尺寸,、位置和方向上的均勻收縮，因此可用于制造具有納米級特征的高機(jī)械穩(wěn)定性的3D結(jié)構(gòu),。拾取和放置工藝進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了3D打印光學(xué)元件與接收基板上相關(guān)設(shè)備的集成,。

相關(guān)論文鏈接：
Mori, T., Wang, H., Zhang, W. et al. Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials. Nat Commun 14, 5876 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41535-9

Wang, H. et al. Two-Photon Polymerization Lithography for Optics and Photonics: Fundamentals, Materials, Technologies, and Applications. Adv. Funct. Mater. https://doi.org/10.1002/adfm.202214211 (2023).

Wang, H., Wang, H., Ruan, Q. et al. Coloured vortex beams with incoherent white light illumination. Nat. Nanotechnol. 18, 264–272 (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01319-0