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颠覆性的解决方案 | 最新《Science》:超高分辨率的3D纳米制造

颠覆性的解决方案 | 最新《Science》:超高分辨率的3D纳米制造

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2022-12-23 11:17
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【概要描述】

颠覆性的解决方案 | 最新《Science》:超高分辨率的3D纳米制造

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2022年12月23日,在最新一期《Science》上,香港中文大学陈世祈教授团队和卡内基梅隆大学招永欣教授团队联合发表了题为Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly(通过超快激光图案和动态调节材料组装的三维纳米制造)的研究论文,提出了一种用材料库制造任意三维纳米结构的策略:由飞秒光片形成图案的水凝胶被用作模板,可以直接组装材料以形成设计的纳米结构。通过微调曝光策略和图案化凝胶的特征,实现了20至200nm分辨率的二维和三维结构。

原文链接:

//www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420

  文章简介  

纳米技术的主要挑战是用所需材料制造复杂的三维(3D)结构。本研究提出了一种使用材料库制造任意3D纳米结构的方法,包括金属、金属合金、2D材料、氧化物、金刚石、半导体、聚合物、生物材料、分子晶体和墨水。该方法采用由飞秒光片绘制的水凝胶作为模板,可直接组装材料以形成设计的纳米结构。通过微调曝光策略和图形凝胶的特征,实现了20- 200纳米分辨率的2D和3D结构。研究人员制作了纳米器件,包括加密的光存储和微电极,以演示其设计的功能和精度。实验结果表明该方法为不同种类的材料的纳米制造提供了一个系统的解决方案,并为设计复杂的纳米器件开辟了进一步的可能性。

  研究背景  

在纳米尺度上的三维(3D)制造一直是纳米技术领域一个长期追求的目标。大多数3D纳米制造技术依赖于光刻方法来创建具有纳米尺度分辨率的复杂结构,其中光引发的化学反应,如光聚合和光还原是至关重要的。尽管以前有很多尝试,但纳米制造的材料选择仍然很大程度上局限于聚合物材料或金属。在不影响现有结构复杂性的情况下,为更广泛的材料制造解决方案,纳米级特征尺寸和材料功能仍然是一个关键的挑战。
通过直接组装材料来制造设计好的三维纳米结构已经成为一种有效的纳米制造策略。该方法的先决条件是有选择地控制具有纳米级精度的料构建块的运动和随后的集成,如纳米颗粒(NPs)或大分子。为此,控制材料组装的驱动力是至关重要的。来自不同材料的粒子总是具有截然不同的物理或化学性质,由于缺乏合适的驱动力,要系统地操纵它们在一个单一系统中的组装是基本不可能的。水凝胶可以通过不同的相互作用捕获各种材料,如氢键、电荷效应、共价键。因此,水凝胶可用于与不同纳米材料形成复合材料用于3D打印,或支持金属NPs的原位光还原用于纳米图案。此外,通过飞秒激光曝光水凝胶,设计的图案可以在凝胶上进行双光子反应和额外的光反应分子。通过对这些分子的分子结构进行工程设计,并结合凝胶底物的收缩(内爆制造),可以通过配位效应或氢键将某些功能材料与图案化凝胶连接起来,其分辨率超过光学衍射极限。

  研究内容解读  

在传统的纳米科学中,直接将材料组装成复杂的3D结构需要定制复杂的打印设置。该研究展示了在操纵各种材料的组装中巧妙使用动力学控制。原则上,该方法可以很容易地推广到其他水溶性或分散性材料,而无需进一步的化学设计。利用先进的纳米合成方法,例如创建核壳或复合结构,该方法可能适用于在水中不稳定的材料,如钙钛矿。通过将该策略应用于其他高通量光学平台或偏振优化,其应用范围可能进一步扩大。凭借已展示的吞吐量、分辨率和材料通用性,研究人员新制造的平台在创建新的功能和生物相容性微器件、光学超材料和柔性电子器件方面提供了颠覆性的解决方案,这些解决方案可能会影响光子学、纳米技术和生物技术领域。

图1制作设置、过程和结果。

图2材料种类的展示。

图3展现最小特征尺寸的纳米结构。

图4 DOE的制作及其在三维光存储和加密中的应用。

——END——

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