武漢大學&普渡大學聯合最新Nature Materials

武漢大學&普渡大學聯合最新Nature Materials

尼古拉斯

一、【科學背景】

當前技術在開發高分辨率3D打印技術以適應金屬、合金和金屬化合物的需求時，面臨以下挑戰：晶體結構維持、高分辨率制造、材料純度和穩定性、復雜結構創建、成分控制。

納米尺度三維（3D）打印金屬和合金在速度、微型化和材料性能方面面臨挑戰。傳統納米制造依賴光刻方法，但這些方法在材料選擇、分辨率和處理速度上存在限制。

二、【創新成果】

近日，來自武漢大學和普渡大學的Gary J. Cheng 團隊在 Nature Materials 期刊發表了題為“Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping”的論文，本文主要提出了一種無需聚合物的技術，使用雙光子分解（TPD）和光力捕獲進行自由空間直接3D打印金屬、金屬氧化物和多金屬合金。該技術通過激光誘導的局域表面等離子體共振（LSPR）增強近場光學力，促進納米團簇聚集。

圖1? 3D納米打印過程及結構的工藝方案、機制、模擬與示范? ?2024 Springer Nature

通過激光和熱解作用，金屬羰基化合物分解成原子，這些原子在范德華力的作用下聚集成納米團簇。利用激光誘導的局部表面等離子體共振增強光學場，促進納米團簇聚集并形成3D結構。短脈沖寬度導致冷加工，但高重復率可能引起局部微小加熱，使納米團簇快速燒結。激光按照預設路徑移動，直接打印出復雜的3D納米結構，如Mo-Co-W合金的三腳架結構和其他示例結構。通過SEM圖像和EDS映射證實合金成分的均勻分布，以及Fe₂O₃材料的三角支架結構。

圖2? 打印的金屬、合金及金屬氧化物的表征? ?2024 Springer Nature

作者通過TEM和HR-TEM圖像展示了打印出的金屬（如鉬Mo）、合金（如Mo-Co-W）、金屬氧化物（如MoO₂和Fe₂O₃）的微觀結構，包括晶體的形態和晶面間距。利用SAED圖案確認了打印材料的晶體結構，如鉬的面心立方（fcc）結構，以及合金的相應晶體平面。通過HR-TEM圖像測量并統計了晶粒的尺寸分布，顯示了打印材料中晶粒的均勻性。通過EDS映射圖像展示了合金納米線中不同元素（如鉬、鈷、鎢）在整個結構中的均勻分布，證明了合金成分的一致性。通過分析打印材料的微觀結構和成分，展示了通過調整打印參數（如激光功率和掃描速度）來精確控制材料特性的能力。作者通過一系列的微觀結構和成分分析結果，展示了3D納米打印技術在打印高質量金屬和合金結構方面的能力，以及對打印材料特性進行精細調控的潛力。

圖3? 線性和曲線3D納米結構? ?2024 Springer Nature

作者展示了使用該技術打印出的具有高精度和復雜設計的3D結構，如螺旋陣列結構和類似巴克球的結構。打印出的具有不同角度的懸臂梁結構，說明了打印技術在制造不同角度結構方面的能力。通過在不同激光參數下打印簡單線條，表明該技術能達到的最小線寬（低至103納米），遠小于傳統光學衍射極限。展示了激光功率和掃描速度如何影響打印線寬，以及如何通過調整這些參數來控制打印分辨率。通過展示多種不同的3D設計，如螺旋陣列、3D花朵陣列和高縱橫比的納米線，強調了該技術在制造復雜和功能性3D結構方面的多功能性。總的來說，通過展示各種3D納米結構的SEM圖像、打印分辨率的極限、以及材料的機械性能測試結果，強調了TPD 3D納米打印技術在高精度、高分辨率和復雜結構制造方面的強大能力。

圖4? Co晶格、Mo納米線及合金納米線的原位機械測試? ?2024 Springer Nature

作者通過一系列原位機械性能測試結果，強調了TPD 3D納米打印技術制造的金屬和合金結構具有優異的機械性能，并且可以通過材料成分的調整來優化這些性能，這對于先進材料設計和工程應用具有重要意義。

三、【科學啟迪】

總之，作者通過使用雙光子分解（TPD）和超快激光光學捕獲技術，研究者能夠在納米尺度上直接3D打印金屬和合金，這標志著納米制造技術的重大進步。該研究提供了一種無需使用聚合物或其他有機材料的金屬和合金合成方法，這有助于避免傳統方法中可能出現的收縮、變形或孔隙問題。通過精確控制激光參數，可以實現對打印材料的晶粒形態和尺寸的精確控制，從而獲得高密度、高純度的納米結構。通過調整前體溶液的組成，可以輕松地控制合金的組成比例，實現對打印材料機械性能和其他性能的定制。研究展示了如何打印出具有復雜幾何形狀的3D納米結構，這為設計新型納米器件和材料提供了新的可能性。通過對打印出的納米線進行壓縮和拉伸測試，研究者能夠更好地理解納米尺度下的力學行為，這對于材料科學和工程領域具有重要意義。

原文詳情：

Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping. Nature Materials (2024).

DOI: 10.1038/s41563-024-01984-z

本文由尼古拉斯供稿