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武汉大学，最新Nature Materials！！和多金属合金的自由空间直接3D打印，分辨率达100纳米！

材料学网 · 公众号 · · 2024-08-25 19:36

正文

随着纳米科技的快速发展，金属和合金的纳米级三维（3D）打印技术因其在纳米电子学、纳米机器人和先进芯片制造中的重要应用，成为了研究热点。然而，传统的纳米制造技术面临诸多挑战，如打印速度慢、微型化难度大以及材料性能不足。这些问题主要源于光刻方法的材料限制、分辨率受限以及逐层处理的低效率。此外，现有技术如聚焦离子束沉积和电化学沉积，虽然可以实现高精度，但其低吞吐量和材料选择受限，使其难以满足工业规模的需求。因此，迫切需要一种高分辨率且高效率的3D打印技术。

成果简介

鉴于此， 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。研究团队提出了一种基于双光子分解（TPD）的无聚合物方法，用于金属、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诱导的双光子分解技术，通过光学力驱动纳米晶体的快速组装及超快激光烧结，实现了亚衍射极限的分辨率（100纳米），并可以精确控制材料的晶粒形态和尺寸。

此外，激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）进一步增强了光学力，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。作者的研究表明，这一方法不仅消除了有机材料的需求和复杂的后处理，而且在材料性能控制上表现优异，打印出的Mo纳米线和Mo-Co-W合金纳米线展现出优越的力学性能，表明其在纳米领域的广泛应用前景。

研究亮点

1. 本研究首次实现了基于双光子分解（TPD）和光学力捕获的无聚合物纳米尺度三维（3D）打印技术，能够在自由空间中直接打印高密度金属、金属氧化物和多金属合金，分辨率达100纳米。

2. 采用超快激光照射下的TPD技术，实现了前驱体化合物的同时分解，通过光学力快速组装纳米晶体，并进行超快激光烧结，从而精确控制晶粒形态和尺寸。

3. 此外，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、更光滑的纳米结构，并成功打印了复杂的3D设计。

4. 该方法的数值模拟揭示了纳米颗粒组装中的物理机制，突出了LSPR诱导的光学力的作用。实验结果表明，打印的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优，说明了通过成分调整实现结构控制的有效性。

图文导读

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。

结论展望

本文通过引入基于双光子分解（TPD）和光学力捕获的无聚合物方法，作者突破了传统激光增材制造在材料限制、分辨率和处理复杂性的瓶颈，实现了高密度金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印。这种技术利用超快激光照射下前驱体的分解及纳米晶体的快速组装，突破了光学衍射极限，使得打印分辨率达到100纳米。

其次，通过增强的局域表面等离子体共振（LSPR）促进纳米晶体的聚集，使得纳米结构更加致密光滑，能够制造出复杂的3D设计。这种方法不仅消除了对有机材料的需求，还简化了后处理过程，提供了对材料性能的优异控制。最后，本研究展示了如何通过数值模拟深入理解纳米颗粒组装过程中的物理机制，强调了LSPR诱导光学力的关键作用。力学测试结果表明，打印的纳米线在机械性能方面表现优异，这为未来在纳米电子学、纳米机器人及芯片制造领域的应用奠定了坚实的基础。

文献信息

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

武汉大学，最新Nature Materials！！和多金属合金的自由空间直接3D打印，分辨率达100纳米！

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