特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨米測MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
數(shù)百萬年來，生物系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)其細(xì)胞單位面積的有益尺寸以及有助于獲得良好機(jī)械和物理性能的材料效應(yīng)進(jìn)化出了優(yōu)化的功能。受這些生物系統(tǒng)的啟發(fā)，許多反復(fù)試驗(yàn)的逆向工程和計(jì)算方法已被用來模擬其復(fù)雜結(jié)構(gòu)以用于各種應(yīng)用，如光管理、柔性傳感、潤濕控制、粘附和電催化等。
關(guān)鍵問題
然而，人造多尺度結(jié)構(gòu)主要存在以下問題：
1、制造具有可控特征的人造多尺度結(jié)構(gòu)非常具有挑戰(zhàn)性
多尺度結(jié)構(gòu)在生物系統(tǒng)中無處不在。然而，制造具有可控特征的人造結(jié)構(gòu)，跨越多個(gè)長度尺度，特別是納米尺度特征，非常具有挑戰(zhàn)性，這嚴(yán)重影響了它們的集體特性。
2、現(xiàn)有的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和分辨率的平衡
3D打印雖然在材料選擇上具有較大自由度，但在樣本大小、生產(chǎn)率以及實(shí)現(xiàn)納米級分辨率方面仍面臨挑戰(zhàn)；自組裝方法雖然成本較低，但在結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)的控制上存在限制，這對于要求較高的多尺度結(jié)構(gòu)來說是一個(gè)問題。
新思路
有鑒于此，西湖大學(xué)文燎勇等人介紹了一種新型的鋁基跨尺度3D制造技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了連續(xù)納米-微米-宏觀壓印和多尺度陽極氧化鋁模板的陽極氧化，使用各種材料制造出定義明確的多尺度結(jié)構(gòu)。高保真納米圖案和微米圖案是由表面加工硬化現(xiàn)象促成的，其中納米圖案可以通過陽極氧化進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整，以具有高縱橫比和可調(diào)納米孔。基于鋁基三維光刻技術(shù)，精確制造了長度尺度至少為107個(gè)數(shù)量級的多尺度材料，包括碳、半導(dǎo)體和金屬。通過定制不同長度尺度的多尺度碳網(wǎng)絡(luò)（從納米纖維和微金字塔到大圓頂陣列），將壓力傳感器和生物傳感器與卓越且可定制的性能集成在一起。這項(xiàng)工作提供了一種通用技術(shù)，用于按需制作多尺度結(jié)構(gòu)和材料的原型，以探索理想的機(jī)械和物理特性。
技術(shù)方案：
1、開發(fā)了用于制造多尺度結(jié)構(gòu)的AL-3DLitho 技術(shù)
作者開發(fā)的AL-3DLitho技術(shù)通過S-NMMI和M-AAO陽極氧化，實(shí)現(xiàn)納米至宏觀尺度的多尺度結(jié)構(gòu)制造，具有高保真度和經(jīng)濟(jì)高效性。
2、揭示了AL-3DLitho的原理和工作范圍
作者通過分子動力學(xué)和有限元法模擬，揭示了鋁在納米壓印中的高位錯濃度和塑性變形能力，使其在保持納米結(jié)構(gòu)完整性方面優(yōu)于金和銀。實(shí)驗(yàn)確定了AL-3DLitho的工作閾值，優(yōu)化了多尺度結(jié)構(gòu)制造過程。
3、展示了AL-3DLitho在制造復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特能力
作者證實(shí)了將AL-3DLitho技術(shù)結(jié)合多種沉積方法，可制造出具有精確控制形貌和成分的均質(zhì)和異質(zhì)多尺度材料結(jié)構(gòu)。
4、制造了基于多尺度碳網(wǎng)絡(luò)的壓力傳感器
作者演示了AL-3DLitho技術(shù)制造的多尺度碳網(wǎng)絡(luò)傳感器在健康監(jiān)測中表現(xiàn)出低檢測限、高靈敏度和穩(wěn)定性，能監(jiān)測運(yùn)動中的脈搏和尿酸水平，揭示飲食與代謝的關(guān)系。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、開發(fā)了鋁基3D光刻混合技術(shù)
作者開發(fā)了一種鋁基3D光刻（AL-3DLitho）的混合技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了順序納米-微米-宏觀壓印（S-NMMI）和多尺度陽極氧化鋁（M-AAO）模板的形成，可用于制造多尺度材料。
2、首次實(shí)現(xiàn)了從納米、微米到宏觀全尺度范圍內(nèi)多種材料的高精度制造
通過結(jié)合AL-3DLitho技術(shù)與不同的沉積方法，設(shè)計(jì)并精確制造了長度尺度至少為107個(gè)數(shù)量級的均質(zhì)和異質(zhì)多尺度材料，包括碳、半導(dǎo)體和金屬，可廣泛應(yīng)用于光電及柔性傳感器等新興領(lǐng)域。
技術(shù)細(xì)節(jié)
使用AL-3DLitho制造多尺度結(jié)構(gòu)
本工作開發(fā)的AL-3DLitho技術(shù)是一種創(chuàng)新的混合制造方法，通過順序納米-微米-宏觀壓印（S-NMMI）和多尺度陽極氧化鋁（M-AAO）模板的陽極氧化，實(shí)現(xiàn)從納米到宏觀的多尺度結(jié)構(gòu)制造。該技術(shù)首先使用納米結(jié)構(gòu)模具進(jìn)行納米壓印，接著用微結(jié)構(gòu)模具進(jìn)行微壓印，最后用宏觀結(jié)構(gòu)模具進(jìn)行宏觀壓印。S-NMMI圖案的納米圖案可以通過陽極氧化進(jìn)一步定制。AL-3DLitho技術(shù)的優(yōu)勢在于其高保真度和可調(diào)性，能夠制造出具有明確形態(tài)和縱橫比的納米孔陣列。此外，該方法無需光刻膠涂層或物理蝕刻，是一種經(jīng)濟(jì)高效的多尺度結(jié)構(gòu)制造方法。通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)的單獨(dú)制造和定制，為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的可能性。
圖 使用AL-3DLitho制造多尺度結(jié)構(gòu)
AL-3DLitho的原理和工作范圍
進(jìn)一步地，作者通過模擬和實(shí)驗(yàn)分析，揭示了AL-3DLitho技術(shù)在多尺度結(jié)構(gòu)制造中的優(yōu)勢。首先，利用分子動力學(xué)模型研究了鋁、金和銀的原子動力學(xué)和位錯演化，發(fā)現(xiàn)納米壓印在鋁中引起高應(yīng)力和剪切應(yīng)變，導(dǎo)致塑性變形和高密度位錯形成。鋁表現(xiàn)出比金和銀更高的位錯濃度，有助于維持納米結(jié)構(gòu)的完整性。其次，通過有限元法模擬微壓印過程，證實(shí)了鋁基板上納米圖案的塑性變形和形態(tài)損傷抵抗力。最后，研究了AL-3DLitho的工作范圍，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整微壓印壓力和曲率半徑，可以控制納米孔的陽極氧化，進(jìn)一步優(yōu)化了多尺度結(jié)構(gòu)的制造過程。這些發(fā)現(xiàn)為AL-3DLitho技術(shù)在精確制造多尺度結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)依據(jù)。
圖 AL-3DLitho的原理和工作范圍
使用AL-3DLitho制造多尺度材料
AL-3DLitho技術(shù)結(jié)合多種沉積技術(shù)，可制造具有定制多尺度結(jié)構(gòu)的材料。通過在M-AAO模板內(nèi)或表面沉積，可制造均質(zhì)多尺度材料，如多尺度碳網(wǎng)絡(luò)和MoS2，其尺寸跨越107個(gè)數(shù)量級。此外，該技術(shù)還能制造平面內(nèi)和平面外的異質(zhì)多尺度材料，例如結(jié)合原子層沉積與電沉積制造的TiO2納米管和Ni納米棒二元陣列，以及通過循環(huán)交替電沉積得到的Au-Fe超晶格陣列。這些結(jié)構(gòu)的形貌、成分和排列可通過M-AAO模板和沉積技術(shù)精確控制，展示了AL-3DLitho在制造復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特能力。
圖 使用AL-3DLitho制造多尺度材料
基于多尺度碳網(wǎng)絡(luò)的多功能傳感
利用 AL-3DLitho 高度可定制的特性，制造了基于多尺度碳網(wǎng)絡(luò)的壓力傳感器。結(jié)果表明，AL-3DLitho技術(shù)制造的多尺度碳網(wǎng)絡(luò)壓力傳感器在健康監(jiān)測方面表現(xiàn)出色，具有低至0.09?Pa的檢測限和寬線性范圍（0-150?kPa），靈敏度高達(dá)53.77 kPa?1。通過調(diào)整納米纖維和微金字塔，傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間得到優(yōu)化。此外，多尺度結(jié)構(gòu)還影響了表面潤濕性，使得傳感器能夠根據(jù)納米纖維長度變化在超疏水和親水狀態(tài)之間切換，進(jìn)而影響生物傳感器對尿酸（UA）水平的檢測靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，集成的壓力和生物傳感器能夠同時(shí)監(jiān)測運(yùn)動中的脈搏和UA水平，顯示出與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的高度一致性，并揭示了飲食嘌呤攝入與汗液UA水平之間的復(fù)雜關(guān)系，證明了定制多尺度碳網(wǎng)絡(luò)在健康監(jiān)測和運(yùn)動管理中的有效性。
圖 用于多功能傳感的定制多尺度碳網(wǎng)絡(luò)
展望
總之，本研究介紹了一種經(jīng)濟(jì)高效、精度高的AL-3DLitho技術(shù)，該技術(shù)涉及S-NMMI和M-AAO模板的陽極氧化，用于制造高精度多尺度材料。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋁或其他延展性材料的S-NMMI過程中，表面加工硬化有利于 AL-3DLitho。考慮到納米結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)和排列可以通過AL-3DLitho 方法單獨(dú)設(shè)計(jì)和定制，因此可以制造具有納米分辨率的多尺度結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)：
Wang, L., Li, H., Zhao, C. et al. Aluminium surface work hardening enables multi-scale 3D lithography. Nat. Mater. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02036-2
