分辨率达100纳米！武汉大学无聚合物金属结构自由空间直接3D打印

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导读：本文展示了突破性的方法，通过无聚合物的激光3D打印技术，实现了高密度金属和合金的纳米结构制造。该技术不仅克服了传统纳米制造中速度、材料性能和尺寸等方面的局限，还通过超快激光诱导的两光子分解（TPD）和光学力驱动的纳米晶体组装，实现了亚衍射极限的高分辨率打印。特别是通过激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）增强光学力，进一步提高了纳米结构的致密性和表面光滑度。这一研究为纳米级金属材料的高精度制造提供了新途径，能够在材料选择和结构设计上实现高度定制，具有广泛应用于纳米电子学、纳米机器人和芯片制造的潜力，为未来高性能纳米器件的开发提供了强有力的技术支持。

一、研究背景

随着纳米技术的发展，金属和合金在微型化和高性能材料需求方面的应用越来越受到关注。尤其是在纳米尺度的三维（3D）打印领域，传统制造方法面临着速度慢、材料选择受限和分辨率不足等挑战。金属、合金和金属化合物因其优异的机械性能、电导率和半导体特性，在芯片、微纳机器人和超材料等领域中发挥着重要作用。然而，现有的纳米制造技术主要依赖于光刻和沉积方法，这些方法通常受到材料选择限制、处理速度缓慢以及逐层打印的局限性。此外，这些传统方法难以处理复杂的三维结构和高分辨率要求。

为了解决这些问题，研究者们提出了多种改进方案。例如，激光直写技术已被应用于高分辨率打印，但通常需要聚合物材料，这在无机材料的制造上遇到困难。电化学沉积和激光诱导转移技术虽然在某些方面有进展，但仍然面临高精度和高纯度打印的挑战。因此，科学家们开始探索新颖的打印方法，以克服这些限制。

为了解决这些问题，武汉大学Gary J. Cheng教授团队在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping”的最新论文。本研究提出了一种无聚合物的创新方法，基于双光子分解（TPD）技术，实现了金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印。该方法利用超快激光照射下的前驱体化合物的双光子分解，结合光学力驱动纳米晶体的快速组装和超快激光烧结，从而在100纳米分辨率下实现高密度、定制化的金属和合金结构。此方法突破了光学衍射极限，通过激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）增强了光学力，促进了纳米晶体的聚集，形成了更加致密和光滑的纳米结构，能够制造复杂的3D设计。

二、科学亮点

1. 实验首次采用无聚合物的双光子分解（TPD）技术实现了金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印。该方法突破了传统的光刻限制，提供了分辨率高达100纳米的打印能力，并能定制材料性能。

2. 实验通过超快激光照射下的TPD、光学力驱动的纳米晶体快速组装及超快激光烧结，实现了高密度、光滑的纳米结构。此过程允许精确控制晶粒形态和尺寸，并通过激光参数的调整优化打印结果。激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）增强了光学力，促进了纳米晶体的聚集，形成了更致密的3D设计。

3. 实验展示了所打印的Mo纳米线和Mo-Co-W合金纳米线的卓越机械性能。Mo纳米线表现出优异的抗压和抗拉强度，而Mo-Co-W合金纳米线的抗拉强度更高，表明通过成分调整可以轻松控制结构的机械性能。

三、图文解读

图1：3D纳米打印过程及结构的工艺方案、机制、模拟与示范

图2：打印的金属、合金及金属氧化物的表征

图3：线性和曲线3D纳米结构

图4：Co晶格、Mo纳米线及合金纳米线的原位机械测试

参考文献：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://doi.org/10.1038/s41563-024-01984-z"target="_blank">https://doi.org/10.1038/s41563-024-01984-z

来源：仿真秀App