清华大学李景虹院士，再添一篇Science！

【导读】

3D打印结构是通过在构建块（原子，分子或小块材料）之间的所需位置创建化学键而形成的，其最重要的进步是使用光来触发溶解或悬浮在液体中的构建块之间的连接，以制造具有高空间分辨率的复杂3D结构，这种方法基于光诱导的化学反应，该反应发生在光聚焦的有限体积的液体中，在构建块之间形成键。通过使用光束跟踪所需的结构设计，最终物体在液体中建立起来。这种策略主要用于在称为光聚合的过程中创建塑料（聚合物）物体。对于其他材料，例如半导体，由于材料的复杂成分，内部结构和高原子结合能，从液体前驱体到固体的光触发转化是不可能的，其需要苛刻的加工条件，例如高压或高温，通常与3D打印不兼容。

绕过这个问题的解决方案是使用纳米颗粒作为墨水中的固体构建块。纳米颗粒应具有均匀的尺寸，以保证高空间分辨率，并在最佳墨水中利用其尺寸依赖性特性，表面活性剂辅助胶体合成已被用于产生这种纳米颗粒集合。这种合成方法依赖于使用称为配体的长有机分子来指导纳米颗粒的形成，从而控制其大小和形状以及其他特性。在纳米颗粒合成过程中发挥作用后，合成过程中形成的配体或衍生物保留在纳米颗粒表面上，有助于形成稳定的悬浮液，高质量印刷的关键特性挑战在于找到正确的化学成分来在纳米颗粒之间形成键。

【成果掠影】

在此，清华大学李景虹院士，孙洪波教授，张昊副教授和林琳涵副教授（共同通讯作者）设计了一种纳米颗粒打印策略（3D Pin），该策略将不同纳米颗粒之间的配体互连以创建3D结构。将分子添加剂混合到纳米颗粒悬浮液中，然后在用光照射时分解，产生一种称为粘合剂的高反应性和对称物质，它能够桥接配体。键的形成可以发生在同一纳米颗粒的两个配体内，降低局部胶体稳定性并使颗粒更紧密地结合在一起，或者发生在不同纳米颗粒的两个配体之间，间接产生颗粒间链接。此外，结合通过配体烃链发生，提供完全不受配体表面锚定基团的性质的影响。因此，可以使用多种配体，从而简化油墨制备。总体而言，光触发的反应序列导致固体物质的积聚，该固体物质由光通过液体的焦点路径定义。

这种打印方法的另一个优点是最终3D结构中存在少量有机物，特别是与以前的纳米颗粒封装在聚合物基质中的方法相比。理想情况下，最终结构应仅由要打印的固体材料制成，即纳米颗粒。有机分子的存在通常不利于纳米颗粒需要彼此靠近的应用，例如涉及电荷转移（电子，催化等）的应用。Li等人使用的高纳米颗粒含量S方法还允许在打印后通过热剥离或化学剥离去除有机网络，而不会影响物体的形状和强度。

相关研究成果以“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”为题发表在Science上。

【核心创新点】

1.本文报告一种与材料无关的3D打印纳米颗粒策略，使用一种能够在光照射下分解成反应性物质的添加剂，最终将纳米颗粒表面的两个稳定分子（封端分子）结合在一起。

2.本文提出的方法有助于生产由大量材料制成的高度密集，机械坚固的3D结构，这也是朝着实现增材制造的真正潜力迈出的重要一步。

【数据概览】

图一、本文提出的3D打印机理© 2023 AAAS

图二、不同材料的3D纳米打印© 2023 AAAS

图三、无机纳米材料的混合3D打印© 2023 AAAS

图四、打印的TiO₂ NC薄膜的折射率和II-VI核壳QDs打印柱的力学性能© 2023 AAAS

图五、打印3D结构的光学特性© 2023 AAAS

【成果启示】

综上所述，本文的策略实现了出色的空间分辨率，同时取决于波长和用于触发反应的光学设置，类似于光学显微镜的分辨率极限。此外，打印设置类似于商业3D打印机中使用的设置，这意味着在化学安全评估后，该方法可以在现有系统中轻松而广泛地采用。然而，与聚合物3D打印相比，这种方法的缺点是打印速度受到纳米颗粒扩散到暴露体积的限制。溶液的粘度、粒径和配体类型会影响油墨的稳定性，管理影响打印速度的变量在化学工程领域是一个挑战。此外，这是朝着实现增材制造的真正潜力迈出的重要一步，作为一种变革性技术，极大地简化了设备制造并扩大了可打印材料的功能。

文献链接：“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”（Science，2023，10.1126/science.adg6681）

本文由材料人CYM编译供稿。