據(jù)《Science》報(bào)道，在納米科技領(lǐng)域，多材料的3D納米制造一直是人們研究的重要內(nèi)容。大多數(shù)3D納米制造技術(shù)依賴于光刻方法來創(chuàng)建具有納米級(jí)分辨率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，技術(shù)核心是光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)（如光聚合和光還原）。盡管此領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)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(xiàn)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、納米級(jí)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(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

為了解決上述問題，來自香港中文大學(xué)SHIH-CHI CHEN教授（陳教授）、卡內(nèi)基梅隆大學(xué) YonGXIN ZHAO教授（趙教授）進(jìn)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(zhuǎn)換材料、半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的策略。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)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(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的材料組裝進(jìn)行三維納米制造》）。

研究背景

趙教授的生物光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要開發(fā)研究細(xì)胞和組織中的生物和病理過程的新技術(shù)，稱為膨脹顯微鏡過程，該實(shí)驗(yàn)室致力于推進(jìn)此技術(shù)，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(jí)顯微鏡的情況下查看樣品細(xì)節(jié)。

2019 年，趙教授與作為受邀演講人訪問卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的來自香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程系教授陳世奇進(jìn)行了一次交流，確定了合作。趙教授說：“Shih-Chi 以發(fā)明超快雙光子光刻系統(tǒng)而聞名，我們?cè)谒L問卡內(nèi)基梅隆大學(xué)期間相遇，并決定結(jié)合我們的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)來追求科研的進(jìn)步?！彼麄冋J(rèn)為可以利用綜合專業(yè)知識(shí)為微加工領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)找到新的解決方案：開發(fā)將可打印納米設(shè)備的尺寸減小到小至幾十納米或幾個(gè)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(chuàng)建材料的 3D 圖案并將其縮小以獲得納米級(jí)分辨率。他們合作的結(jié)果為設(shè)計(jì)復(fù)雜的納米設(shè)備打開了新的大門，并發(fā)表在《Science》雜志上。

研究成果

●納米制造的設(shè)置、過程和結(jié)果

傳統(tǒng)的 3D 納米級(jí)打印機(jī)聚焦激光點(diǎn)以連續(xù)處理材料并需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成設(shè)計(jì)，而 Chen 的發(fā)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(gè)圖像包含數(shù)十萬個(gè)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(shù)被稱為飛秒項(xiàng)目雙光子光刻或 FP-TPL。該方法比以前的納米打印技術(shù)快 1,000 倍，并可以制造具有成本效益的大規(guī)模納米打印用于生物技術(shù)、光子學(xué)或納米設(shè)備。

在這個(gè)過程中，研究人員將引導(dǎo)飛秒雙光子激光修改水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔徑，為水分散性材料創(chuàng)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(jī)會(huì)，我們嘗試的納米材料都被自動(dòng)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?！崩?，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(huì)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(dǎo)電。

●光學(xué)衍射元件（DOEs）的制作及其在三維光存儲(chǔ)和加密中的應(yīng)用

為了演示該技術(shù)在加密光存儲(chǔ)中的用途，例如如何用激光寫入和讀取 CD 和 DVD，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)七層 3D 納米結(jié)構(gòu)，在光學(xué)解密后讀取“SCIENCE”。每層包含一個(gè) 200x200 像素的字母全息圖。樣品收縮后，整個(gè)結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為半透明矩形。人們需要正確的信息來了解樣本的擴(kuò)展程度以及光照的位置以讀取信息。根據(jù)研究的結(jié)果，該技術(shù)可以在一個(gè)微小的立方厘米空間中打包 5 PB 的信息。這大約是美國(guó)所有學(xué)術(shù)研究圖書館總和的 2.5 倍。未來研究人員的目標(biāo)是用多種材料構(gòu)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(yīng)用的納米機(jī)器人等。

展望

在傳統(tǒng)的納米科學(xué)中，將材料直接組裝成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和定制的打印設(shè)置。本研究展示了動(dòng)力學(xué)控制在操縱各種材料的組裝中的技術(shù)應(yīng)用。原則上，該方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他水溶性或分散性材料，而無需進(jìn)一步的化學(xué)設(shè)計(jì)。通過將該策略應(yīng)用于其他高通量光學(xué)平臺(tái)或偏振優(yōu)化，可以進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。，研究人員新制造平臺(tái)在創(chuàng)造新的功能性和生物相容性微器件、光學(xué)超材料和柔性電子產(chǎn)品方面提供了一種顛覆性解決方案，這些產(chǎn)品可能會(huì)影響光學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)領(lǐng)域。

來自：南極熊

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