據《Science》報道，在納米科技領域，多材料的3D納米制造一直是人們研究的重要內容。大多數3D納米制造技術依賴于光刻方法來創建具有納米級分辨率的復雜結構，技術核心是光引發的化學反應（如光聚合和光還原）。盡管此領域的研究內容有很多，但用于納米制造的材料仍然很有局限性，目前主要集中在聚合物材料或金屬材料。在不損害現有結構復雜性、納米級特征尺寸和材料功能的情況下，為更廣泛的材料類別提供制造解決方案仍然是一個關鍵的挑戰。

為了解決上述問題，來自香港中文大學SHIH-CHI CHEN教授（陳教授）、卡內基梅隆大學 YonGXIN ZHAO教授（趙教授）進行了合作，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、上轉換材料、半導體、聚合物、生物材料、分子晶體和油墨的材料庫來制造任意3D納米結構的策略。他們的研究成果已經發表在了《Science》上，題目為《Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly》（《通過超快激光圖案和動力學調節的材料組裝進行三維納米制造》）。

研究背景

趙教授的生物光子學實驗室主要開發研究細胞和組織中的生物和病理過程的新技術，稱為膨脹顯微鏡過程，該實驗室致力于推進此技術，以按比例放大嵌入水凝膠中的微觀樣品，使研究人員能夠在不升級顯微鏡的情況下查看樣品細節。

2019 年，趙教授與作為受邀演講人訪問卡內基梅隆大學的來自香港中文大學機械與自動化工程系教授陳世奇進行了一次交流，確定了合作。趙教授說：“Shih-Chi 以發明超快雙光子光刻系統而聞名，我們在他訪問卡內基梅隆大學期間相遇，并決定結合我們的技術和專業知識來追求科研的進步。”他們認為可以利用綜合專業知識為微加工領域的長期挑戰找到新的解決方案：開發將可打印納米設備的尺寸減小到小至幾十納米或幾個原子厚的方法。最終，他們的解決方案與膨脹顯微鏡相反，即在水凝膠中創建材料的 3D 圖案并將其縮小以獲得納米級分辨率。他們合作的結果為設計復雜的納米設備打開了新的大門，并發表在《Science》雜志上。

研究成果

●納米制造的設置、過程和結果

傳統的 3D 納米級打印機聚焦激光點以連續處理材料并需要很長時間才能完成設計，而 Chen 的發明改變了激光脈沖的寬度以形成圖案化的光片，從而使整個圖像包含數十萬個像素（體素）在不影響軸向分辨率的情況下立即打印。這種制造技術被稱為飛秒項目雙光子光刻或 FP-TPL。該方法比以前的納米打印技術快 1,000 倍，并可以制造具有成本效益的大規模納米打印用于生物技術、光子學或納米設備。

在這個過程中，研究人員將引導飛秒雙光子激光修改水凝膠的網絡結構和孔徑，為水分散性材料創建邊界。然后將水凝膠浸入含有金屬、合金、金剛石、分子晶體、聚合物或鋼筆墨水的納米顆粒的水中。

趙教授說:“由于偶然的機會，我們嘗試的納米材料都被自動吸引到水凝膠中的打印圖案上并組裝得很好，隨著凝膠收縮和脫水，材料變得更加密集并相互連接。”例如，如果將打印的水凝膠放入銀納米顆粒溶液中，銀納米顆粒會沿著激光打印的圖案自組裝到凝膠中。隨著凝膠變干，它可以收縮到原來大小的 13 倍，使銀密度足以形成納米銀線并導電。

●光學衍射元件（DOEs）的制作及其在三維光存儲和加密中的應用

為了演示該技術在加密光存儲中的用途，例如如何用激光寫入和讀取 CD 和 DVD，該團隊設計并構建了一個七層 3D 納米結構，在光學解密后讀取“SCIENCE”。每層包含一個 200x200 像素的字母全息圖。樣品收縮后，整個結構在光學顯微鏡下呈現為半透明矩形。人們需要正確的信息來了解樣本的擴展程度以及光照的位置以讀取信息。根據研究的結果，該技術可以在一個微小的立方厘米空間中打包 5 PB 的信息。這大約是美國所有學術研究圖書館總和的 2.5 倍。未來研究人員的目標是用多種材料構建功能性納米器件。如納米電路、納米生物傳感器，甚至是用于不同應用的納米機器人等。

展望

在傳統的納米科學中，將材料直接組裝成復雜的3D結構需要復雜的化學反應和定制的打印設置。本研究展示了動力學控制在操縱各種材料的組裝中的技術應用。原則上，該方法可以很容易地擴展到其他水溶性或分散性材料，而無需進一步的化學設計。通過將該策略應用于其他高通量光學平臺或偏振優化，可以進一步擴展其應用范圍。，研究人員新制造平臺在創造新的功能性和生物相容性微器件、光學超材料和柔性電子產品方面提供了一種顛覆性解決方案，這些產品可能會影響光學、納米技術和生物技術領域。

來自：南極熊

長三角G60激光聯盟陳長軍轉載