2023年9月28日，清华大学李景虹院士团队在《Science》发表题为3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals的研究论文，开发了一种飞秒激光直接打印无机纳米材料的通用策略（简称为3D Pin），已在超过10种无机纳米材料中得到证实，包括各类重要的无机材料，即金属、半导体、金属氧化物及其混合物等。

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10.1126/science.abg6681

 研究简介 

作者团队使用无机胶体纳米晶体作为相应无机材料的构筑单元，通过其表面配体间的非特异性光化学交联反应使任意不同纳米晶体之间形成稳定的共价键，发展了针对无机材料3D打印的普适性新化学与新技术。在无需光敏树脂等模板或支撑材料的情况下，3D Pin方法可获得具有纳米级精度、高无机占比(质量分数大于90%) 和高机械强度的任意3D结构。该方法所打印得到的结构保留了材料的固有光学性质，同时展现出结构所赋予的新的功能。例如，3D打印II‒VI族半导体螺旋阵列展现出宽光谱、高各向异性因子（可达~0.24）的手性光学响应。

其次，作者团队阐明了3D Pin的核心是胶体纳米晶体表面配体光化学引发的成键过程。以各类纳米晶体溶液为打印原料墨水，在其中加入少量交联分子（氮宾前体），利用光生氮宾与纳米晶体表面配体间的C‒H插入反应来构建纳米晶体之间的强共价键，从而形成稳定的3D打印结构。纳米晶体组分的多样性和氮宾反应的非特异性使该方法普遍适用于各种无机材料；飞秒激光的高空间分辨率和纳米晶体的快速扩散过程使纳米晶体在三维空间定点交联成键，实现纳米级精度3D打印。

图1 3D Pin的机理

图2 各种材料的3D纳米打印

图3 无机纳米材料的混合3D打印

图4 TiO₂ NC的折射率比较及II-VI型核/壳量子点柱的力学性能

图5 3D打印量子点的手性结构的光学特性

研究结论

本工作所报道的3D Pin方法基于非特异性的、光生氮宾介导的纳米晶体之间的共价连接，该成键过程不受纳米晶体或无机物组成限制，因而突破了前期工作中材料选择的限制。基于非特异性的纳米晶体成键过程所开发的3D Pin打印方法，极大地拓展了3D打印无机材料库，为3D打印中“材料——结构——功能”的有机结合提供了可能。所获得的纳米精度3D打印半导体材料所展现出的优秀力学和手性光学性能具有重要的研究和应用前景。