武汉大学&普渡大学联合最新Nature Materials

武汉大学&普渡大学联合最新Nature Materials

尼古拉斯

一、【科学背景】

当前技术在开发高分辨率3D打印技术以适应金属、合金和金属化合物的需求时，面临以下挑战：晶体结构维持、高分辨率制造、材料纯度和稳定性、复杂结构创建、成分控制。

纳米尺度三维（3D）打印金属和合金在速度、微型化和材料性能方面面临挑战。传统纳米制造依赖光刻方法，但这些方法在材料选择、分辨率和处理速度上存在限制。

二、【创新成果】

近日，来自武汉大学和普渡大学的Gary J. Cheng 团队在 Nature Materials 期刊发表了题为“Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping”的论文，本文主要提出了一种无需聚合物的技术，使用双光子分解（TPD）和光力捕获进行自由空间直接3D打印金属、金属氧化物和多金属合金。该技术通过激光诱导的局域表面等离子体共振（LSPR）增强近场光学力，促进纳米团簇聚集。

图1  3D纳米打印过程及结构的工艺方案、机制、模拟与示范  ©2024 Springer Nature

通过激光和热解作用，金属羰基化合物分解成原子，这些原子在范德华力的作用下聚集成纳米团簇。利用激光诱导的局部表面等离子体共振增强光学场，促进纳米团簇聚集并形成3D结构。短脉冲宽度导致冷加工，但高重复率可能引起局部微小加热，使纳米团簇快速烧结。激光按照预设路径移动，直接打印出复杂的3D纳米结构，如Mo-Co-W合金的三脚架结构和其他示例结构。通过SEM图像和EDS映射证实合金成分的均匀分布，以及Fe₂O₃材料的三角支架结构。

图2  打印的金属、合金及金属氧化物的表征  ©2024 Springer Nature

作者通过TEM和HR-TEM图像展示了打印出的金属（如钼Mo）、合金（如Mo-Co-W）、金属氧化物（如MoO₂和Fe₂O₃）的微观结构，包括晶体的形态和晶面间距。利用SAED图案确认了打印材料的晶体结构，如钼的面心立方（fcc）结构，以及合金的相应晶体平面。通过HR-TEM图像测量并统计了晶粒的尺寸分布，显示了打印材料中晶粒的均匀性。通过EDS映射图像展示了合金纳米线中不同元素（如钼、钴、钨）在整个结构中的均匀分布，证明了合金成分的一致性。通过分析打印材料的微观结构和成分，展示了通过调整打印参数（如激光功率和扫描速度）来精确控制材料特性的能力。作者通过一系列的微观结构和成分分析结果，展示了3D纳米打印技术在打印高质量金属和合金结构方面的能力，以及对打印材料特性进行精细调控的潜力。

图3  线性和曲线3D纳米结构  ©2024 Springer Nature

作者展示了使用该技术打印出的具有高精度和复杂设计的3D结构，如螺旋阵列结构和类似巴克球的结构。打印出的具有不同角度的悬臂梁结构，说明了打印技术在制造不同角度结构方面的能力。通过在不同激光参数下打印简单线条，表明该技术能达到的最小线宽（低至103纳米），远小于传统光学衍射极限。展示了激光功率和扫描速度如何影响打印线宽，以及如何通过调整这些参数来控制打印分辨率。通过展示多种不同的3D设计，如螺旋阵列、3D花朵阵列和高纵横比的纳米线，强调了该技术在制造复杂和功能性3D结构方面的多功能性。总的来说，通过展示各种3D纳米结构的SEM图像、打印分辨率的极限、以及材料的机械性能测试结果，强调了TPD 3D纳米打印技术在高精度、高分辨率和复杂结构制造方面的强大能力。

图4  Co晶格、Mo纳米线及合金纳米线的原位机械测试  ©2024 Springer Nature

作者通过一系列原位机械性能测试结果，强调了TPD 3D纳米打印技术制造的金属和合金结构具有优异的机械性能，并且可以通过材料成分的调整来优化这些性能，这对于先进材料设计和工程应用具有重要意义。

三、【科学启迪】

总之，作者通过使用双光子分解（TPD）和超快激光光学捕获技术，研究者能够在纳米尺度上直接3D打印金属和合金，这标志着纳米制造技术的重大进步。该研究提供了一种无需使用聚合物或其他有机材料的金属和合金合成方法，这有助于避免传统方法中可能出现的收缩、变形或孔隙问题。通过精确控制激光参数，可以实现对打印材料的晶粒形态和尺寸的精确控制，从而获得高密度、高纯度的纳米结构。通过调整前体溶液的组成，可以轻松地控制合金的组成比例，实现对打印材料机械性能和其他性能的定制。研究展示了如何打印出具有复杂几何形状的3D纳米结构，这为设计新型纳米器件和材料提供了新的可能性。通过对打印出的纳米线进行压缩和拉伸测试，研究者能够更好地理解纳米尺度下的力学行为，这对于材料科学和工程领域具有重要意义。

原文详情：

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