美团|飞秒双光子激光纳米3D打印新突破，登上《Science》徐俊|众包|深圳市

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据《Science》报道，在纳米科技领域，多材料的3D纳米制造一直是人们研究的重要内容。大多数3D纳米制造技术依赖于光刻方法来创建具有纳米级分辨率的复杂结构，技术核心是光引发的化学反应（如光聚合和光还原）。尽管此领域的研究内容有很多，但用于纳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属材料。在不损害现有结构复杂性、纳米级特征尺寸和材料功能的情况下，为更广泛的材料类别提供制造解决方案仍然是一个关键的挑战。

为了解决上述问题，来自香港中文大学SHIH-CHI CHEN教授（陈教授）、卡内基梅隆大学 YONGXIN ZHAO教授（赵教授）进行了合作，提出了一种利用包括金属、金属合金、二维材料、氧化物、金刚石、上转换材料、半导体、聚合物、生物材料、分子晶体和油墨的材料库来制造任意3D纳米结构的策略。他们的研究成果已经发表在了《Science》上，题目为《Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly》（《通过超快激光图案和动力学调节的材料组装进行三维纳米制造》）。

研究背景

赵教授的生物光子学实验室主要开发研究细胞和组织中的生物和病理过程的新技术，称为膨胀显微镜过程，该实验室致力于推进此技术，以按比例放大嵌入水凝胶中的微观样品，使研究人员能够在不升级显微镜的情况下查看样品细节。

2019 年，赵教授与作为受邀演讲人访问卡内基梅隆大学的来自香港中文大学机械与自动化工程系教授陈世奇进行了一次交流，确定了合作。赵教授说：“Shih-Chi 以发明超快双光子光刻系统而闻名，我们在他访问卡内基梅隆大学期间相遇，并决定结合我们的技术和专业知识来追求科研的进步。 ”他们认为可以利用综合专业知识为微加工领域的长期挑战找到新的解决方案：开发将可打印纳米设备的尺寸减小到小至几十纳米或几个原子厚的方法。最终，他们的解决方案与膨胀显微镜相反，即在水凝胶中创建材料的 3D 图案并将其缩小以获得纳米级分辨率。他们合作的结果为设计复杂的纳米设备打开了新的大门，并发表在《Science》杂志上。

研究成果

●纳米制造的设置、过程和结果
传统的 3D 纳米级打印机聚焦激光点以连续处理材料并需要很长时间才能完成设计，而 Chen 的发明改变了激光脉冲的宽度以形成图案化的光片，从而使整个图像包含数十万个像素（体素）在不影响轴向分辨率的情况下立即打印。这种制造技术被称为飞秒项目双光子光刻或 FP-TPL 。该方法比以前的纳米打印技术快 1000 倍，并可以制造具有成本效益的大规模纳米打印用于生物技术、光子学或纳米设备。

在这个过程中，研究人员将引导飞秒双光子激光修改水凝胶的网络结构和孔径，为水分散性材料创建边界。然后将水凝胶浸入含有金属、合金、金刚石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水的纳米颗粒的水中。