研究背景
隨著納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，納米尺度三維（3D）打印技術(shù)在制造業(yè)中的重要性日益凸顯。特別是在金屬和合金的制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的納米制造方法面臨著速度、微型化和材料性能不足等挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題引起了研究者們的廣泛關(guān)注，因?yàn)檫@些技術(shù)對(duì)于高性能納米電子設(shè)備、納米機(jī)器人和先進(jìn)芯片制造至關(guān)重要。傳統(tǒng)的納米制造主要依賴光刻技術(shù)，這些技術(shù)存在材料選擇限制、處理速度慢和逐層處理方式等問(wèn)題，尤其在制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)時(shí)，往往難以滿足高分辨率的要求。盡管平面光刻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)二維圖案的納米級(jí)分辨率，但在處理復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)時(shí)顯得力不從心。盡管聚焦離子束和電子束沉積技術(shù)能夠達(dá)到納米級(jí)精度，但由于極低的處理速度和有限的材料選擇，這些技術(shù)并不適合工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。此外，一些新興的3D打印技術(shù)，如直接墨水書(shū)寫(xiě)和激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移，也面臨材料加載限制和打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，研究人員提出了多種新方法，其中包括電化學(xué)沉積技術(shù)和電流體動(dòng)力學(xué)還原打印方法。然而，這些方法在打印高分辨率金屬和復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)方面仍存在限制。因此，急需一種全新的、高分辨率的3D打印技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)金屬、合金和金屬化合物進(jìn)行優(yōu)化。為了解決這些問(wèn)題，武漢大學(xué)Gary J. Cheng教授團(tuán)隊(duì)在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping”的最新論文。研究提出了一種基于雙光子分解（TPD）的無(wú)聚合物方法，用于實(shí)現(xiàn)高密度金屬、金屬氧化物和多金屬合金的自由空間直接3D打印。該方法利用超快激光照射下前驅(qū)體化合物的雙光子分解，結(jié)合光學(xué)力驅(qū)動(dòng)的納米晶體快速組裝和超快激光燒結(jié)，成功實(shí)現(xiàn)了亞衍射極限的分辨率（100納米至358納米）。作者的方法突破了光學(xué)衍射極限，消除了對(duì)有機(jī)材料的需求，簡(jiǎn)化了打印過(guò)程，并且提供了對(duì)材料性能的精確控制。通過(guò)調(diào)整前驅(qū)體溶液，可以方便地調(diào)節(jié)多金屬合金的組成，從而合成出不同的金屬化合物。力學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示，作者打印的Mo納米線和Mo-Co-W合金納米線表現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械性能，進(jìn)一步證明了作者方法的有效性。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次利用無(wú)聚合物的雙光子分解（TPD）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了金屬、金屬氧化物和多金屬合金的自由空間直接3D打印，分辨率達(dá)到100納米。該技術(shù)通過(guò)超快激光照射下前驅(qū)體化合物的同時(shí)TPD，結(jié)合光學(xué)力驅(qū)動(dòng)的納米晶體快速組裝及超快激光燒結(jié)，成功打印出高密度、高純度的復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。 （2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)激光誘導(dǎo)的局域表面等離子體共振（LSPR）增強(qiáng)光學(xué)力，促進(jìn)了納米晶體的聚集，形成更致密、光滑的納米結(jié)構(gòu)，且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的3D設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬揭示了LSPR誘導(dǎo)的光學(xué)力在納米顆粒組裝中的關(guān)鍵作用。（3）該方法突破了光學(xué)衍射極限，消除了對(duì)有機(jī)材料和復(fù)雜后處理的需求，對(duì)材料性能實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異控制。力學(xué)評(píng)估顯示，打印的Mo納米線具有優(yōu)異的抗壓和抗拉強(qiáng)度，而Mo-Co-W合金納米線則表現(xiàn)出更好的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)一步證明了通過(guò)調(diào)整成分能夠輕松實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制。這項(xiàng)技術(shù)在納米電子學(xué)、納米機(jī)器人和芯片制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
圖文解讀
圖1：3D納米打印過(guò)程及結(jié)構(gòu)的工藝方案、機(jī)制、模擬與示范。 圖3：線性和曲線3D納米結(jié)構(gòu)。圖4：Co晶格、Mo納米線及合金納米線的原位機(jī)械測(cè)試。
總結(jié)展望
本文的研究揭示了通過(guò)超快激光誘導(dǎo)的雙光子分解（TPD）與光學(xué)力捕獲相結(jié)合，能夠在無(wú)聚合物的條件下實(shí)現(xiàn)高分辨率的金屬及金屬氧化物打印。這一方法突破了傳統(tǒng)光刻技術(shù)的材料限制和分辨率瓶頸，實(shí)現(xiàn)了亞衍射極限的結(jié)構(gòu)打印，為納米制造領(lǐng)域開(kāi)辟了新的路徑。其次，研究展示了激光誘導(dǎo)的局域表面等離子體共振（LSPR）在增強(qiáng)光學(xué)力方面的應(yīng)用，這不僅促進(jìn)了納米晶體的聚集，還提高了打印結(jié)構(gòu)的致密性和光滑性。這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)納米級(jí)材料的精確制造提供了理論支持和實(shí)踐依據(jù)。此外，本研究通過(guò)數(shù)值模擬深入探討了納米顆粒組裝中的物理機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了光學(xué)力在納米結(jié)構(gòu)形成中的關(guān)鍵作用。這種全面的理解有助于進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展3D納米打印技術(shù)，推動(dòng)其在納米電子學(xué)、納米機(jī)器人和芯片制造等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。整體而言，本研究為高性能納米材料的制備和應(yīng)用提供了重要的科學(xué)指導(dǎo)，具有廣泛的前景。Wang, Y., Yi, C., Tian, W. et al. Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping. Nat. Mater. (2024). https://www.nature.com/articles/s41563-024-01984-z
