研究背景
随着纳米技术的发展和应用的不断扩展，纳米尺度三维（3D）打印技术在制造业中的重要性日益凸显。特别是在金属和合金的制造领域，传统的纳米制造方法面临着速度、微型化和材料性能不足等挑战。这些问题引起了研究者们的广泛关注，因为这些技术对于高性能纳米电子设备、纳米机器人和先进芯片制造至关重要。传统的纳米制造主要依赖光刻技术，这些技术存在材料选择限制、处理速度慢和逐层处理方式等问题，尤其在制造复杂的三维结构时，往往难以满足高分辨率的要求。尽管平面光刻技术可以实现二维图案的纳米级分辨率，但在处理复杂的三维结构时显得力不从心。尽管聚焦离子束和电子束沉积技术能够达到纳米级精度，但由于极低的处理速度和有限的材料选择，这些技术并不适合工业规模应用。此外，一些新兴的3D打印技术，如直接墨水书写和激光诱导前向转移，也面临材料加载限制和打印复杂结构的挑战。为了解决这些问题，研究人员提出了多种新方法，其中包括电化学沉积技术和电流体动力学还原打印方法。然而，这些方法在打印高分辨率金属和复杂三维结构方面仍存在限制。因此，急需一种全新的、高分辨率的3D打印技术，专门针对金属、合金和金属化合物进行优化。为了解决这些问题，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。研究提出了一种基于双光子分解（TPD）的无聚合物方法，用于实现高密度金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印。该方法利用超快激光照射下前驱体化合物的双光子分解，结合光学力驱动的纳米晶体快速组装和超快激光烧结，成功实现了亚衍射极限的分辨率（100纳米至358纳米）。作者的方法突破了光学衍射极限，消除了对有机材料的需求，简化了打印过程，并且提供了对材料性能的精确控制。通过调整前驱体溶液，可以方便地调节多金属合金的组成，从而合成出不同的金属化合物。力学测试结果显示，作者打印的Mo纳米线和Mo-Co-W合金纳米线表现出了优异的机械性能，进一步证明了作者方法的有效性。
研究亮点
（1）实验首次利用无聚合物的双光子分解（TPD）技术，实现了金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印，分辨率达到100纳米。该技术通过超快激光照射下前驱体化合物的同时TPD，结合光学力驱动的纳米晶体快速组装及超快激光烧结，成功打印出高密度、高纯度的复杂3D结构。 （2）实验通过激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）增强光学力，促进了纳米晶体的聚集，形成更致密、光滑的纳米结构，且能够实现复杂的3D设计。数值模拟揭示了LSPR诱导的光学力在纳米颗粒组装中的关键作用。（3）该方法突破了光学衍射极限，消除了对有机材料和复杂后处理的需求，对材料性能实现了优异控制。力学评估显示，打印的Mo纳米线具有优异的抗压和抗拉强度，而Mo-Co-W合金纳米线则表现出更好的抗拉强度，进一步证明了通过调整成分能够轻松实现结构控制。这项技术在纳米电子学、纳米机器人和芯片制造等领域展现出广阔的应用前景。
图文解读
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4：Co晶格、Mo纳米线及合金纳米线的原位机械测试。
总结展望
本文的研究揭示了通过超快激光诱导的双光子分解（TPD）与光学力捕获相结合，能够在无聚合物的条件下实现高分辨率的金属及金属氧化物打印。这一方法突破了传统光刻技术的材料限制和分辨率瓶颈，实现了亚衍射极限的结构打印，为纳米制造领域开辟了新的路径。其次，研究展示了激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）在增强光学力方面的应用，这不仅促进了纳米晶体的聚集，还提高了打印结构的致密性和光滑性。这一发现为未来纳米级材料的精确制造提供了理论支持和实践依据。此外，本研究通过数值模拟深入探讨了纳米颗粒组装中的物理机制，强调了光学力在纳米结构形成中的关键作用。这种全面的理解有助于进一步优化和扩展3D纳米打印技术，推动其在纳米电子学、纳米机器人和芯片制造等领域的实际应用。整体而言，本研究为高性能纳米材料的制备和应用提供了重要的科学指导，具有广泛的前景。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://www.nature.com/articles/s41563-024-01984-z
