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微納3D打印中科院理化所飛秒激光直寫研究連出成果

2022-09-08

飛秒激光被用于眼科手術治療近視，已經為人熟知，但它能做得遠不止于此。飛秒激光直寫作為一種有效的三維微納精細加工技術，可以在多種透明光學材料中實現微小型光子學器件的制備。

中科院理化所仿生智能界面科學中心鄭美玲團隊在前期工作積累上，近日在不同期刊連發兩篇相關成果，推動飛秒激光直寫技術再向前一步。

△飛秒激光直寫無機納米結構的光場分布示意圖。

《先進材料技術》：仿生響應型水凝膠微致動器

在以《飛秒激光微加工pH驅動三維仿捕蠅草水凝膠驅動器/Flytrap Inspired pH-Driven 3D Hydrogel Actuator by Femtosecond Laser Microfabrication》為題發表在《先進材料技術》的成果中，該團隊合成了刺激響應型光刻膠前驅體，并結合結構設計，采用飛秒激光直寫技術制備了4D刺激響應型水凝膠微結構。

水凝膠微致動器在顯微操作、微機器人、微流體、智能傳感器等領域的應用非常重要。然而，要實現水凝膠微致動器在微納尺度上的精確制備及可控操縱，仍存在巨大挑戰。

作者利用刺激響應型光刻膠，通過優化飛秒激光直寫參數及激光加工路徑，獲得了響應行為可控的4D水凝膠微結構。通過改變激光加工參數來調節水凝膠微結構局部區域的交聯密度，從而獲得可控的pH響應行為，變形時間短至1.2秒，恢復時間為0.3秒。

在此基礎上，受捕蠅草捕獲行為的啟發，研究人員設計并加工了仿生不對稱水凝膠微致動器，通過pH觸發，實現和調節了其形狀變化，成功地捕獲了單個或多個微顆粒，并可控地實現了微顆粒的同時釋放或順次釋放。

該成果使智能水凝膠微致動器的制備成為可能。

《自然—通訊》：使用近紅外光進行3D無機材料的光刻微加工

另一篇發表于《自然—通訊》的文章《多光子三維光刻實現λ/30無機特征尺寸/ λ/30 inorganic features achieved by multi-photon 3D lithography》，闡述了該團隊與合作伙伴在飛秒激光超衍射納米光刻技術制備3D無機納米結構研究方面取得的進展。

△通過飛秒激光直接寫入 HSQ 制造 3D 納米級無機特征的示意圖。

激光3D打印技術是制備三維無機微結構的重要手段之一，但是在制備無機微結構時，其特征尺寸和加工分辨率受到材料和光學衍射極限的限制，難以實現納米尺度制備。

該工作中，研究團隊利用飛秒激光與物質的非線性相互作用，通過多光子吸收引起的“雪崩電離”效應，實現了無機光刻膠氫倍半硅氧烷（HSQ）的飛秒激光超衍射納米光刻，突破了前人提出的HSQ無法使用可見和近紅外光進行光刻微加工的局限。

作者系統研究了激光能量、掃描速度和掃描方式等加工參數對特征尺寸的影響規律，通過精細調節激光的加工參數，成功得到了自支撐的33納米和26納米HSQ納米結構，實現了λ/30（激光波長1/30）的特征尺寸，并制備出了具有優異的耐高溫和耐溶劑性能的3D無機微結構，構筑了多種基于無機納米結構的光子學微器件和仿生微結構。

這項工作為基于HSQ微結構的新型無機納米器件的研究奠定了堅實基礎。

《納米快訊》：實現跨尺度微納復雜結構的新途徑

微納尺度上的3D打印可以實現任意三維，并且精度很高，但談到這個技術到目前為止最大的遺憾，鄭美玲告訴《中國科學報》，“在工業中幾乎沒有做成過產品，因為這種技術制備大結構器件的效率很低?！边@也是該團隊目前的一個研究方向。

在稍早些由《納米快訊》發表的成果《無掩模光學投影納米光刻實現λ/12超分辨率和高效跨尺度結構圖案化/λ/12 Super Resolution Achieved in Maskless Optical Projection Nanolithography for Efficient Cross-Scale Patterning》中，他們部分解決了這個痛點問題。

鄭美玲團隊與合作伙伴以波長為400納米的超快激光作為光源，利用數字微鏡芯片（DMD）生成圖案化光場，發展了無掩模光學投影超衍射納米光刻技術，突破光學衍射極限的限制，獲得了僅為激光波長1/12（λ/ 12）的32 納米光刻線寬，高效制備了數百微米尺度與納米尺度并存的跨尺度微納結構。

此外，通過計算機控制更改所需的DMD生成圖案化光場，便捷實現了多種跨尺度微納結構圖案制備，經過簡單重復該過程，還可以實現多樣化圖形的批量制備。

無掩模光學投影超衍射納米光刻技術，為跨尺度微納復雜結構圖案化提供了高效、便捷的新技術途徑，有望在涉及電子、光學和生物等領域的微納米器件的研究與開發中得到廣泛應用，并實現定制化微納結構與器件的低成本、高效率、批量制造。期刊審稿人評價該技術為“真正開創性的成果”。

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