研究人員利用光3D打印納米螺旋結構，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螺旋結構。這對于3D打印行業(yè)來說可能是一個重要的突破，因為螺旋結構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)學領域。這種新方法可能會推動3D打印技術在制造復雜結構時的應用，并為相關行業(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生強烈的光學旋轉，從而使手性能在健康和信息技術領域得到利用，而手性在這些領域很常見。

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、變異蛋白質或DNA產生的特定生物分子，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，可產生更大的數據存儲容量和更快的處理速度。

△通過螺旋光3D打印螺旋納米結構，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動打印系統(tǒng)

利用光3D打印螺旋納米結構

盡管這些由直立螺旋制成的特殊3D結構表面非常重要，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光刻技術或電子束誘導沉積技術來制造。只有少數高端設備才能勝任這項任務。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，使用螺旋光束產生具有特定旋向和螺距的納米級螺旋。

△圓偏振激光束（CPL）驅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打印螺旋結構是基于麻省理工學院十年前發(fā)現(xiàn)的光到物質手性轉移技術。

利用銀鹽水溶液進行的單步、無掩模、直接寫入打印技術為納米光刻技術提供了替代方案，同時推動了增材制造技術的發(fā)展。光驅動打印金屬螺旋的加工簡易性、高偏振旋轉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構的制備。