分類：投稿 作者：佚名 來源：網(wǎng)絡整理 發(fā)布時間：2023-02-08
江蘇激光聯(lián)盟導讀：
戴頓大學物理學和電光學研究人員Md Shah Alam、Qiwen Zhan和Chenglong Zhao創(chuàng)造了一種成本較低的納米級（比人的頭發(fā)小一千倍）的3D打印方法，可以制造納米結構并消除錯誤。納米技術頂級期刊《Nano Letters》發(fā)表了他們的研究成果。
論文的Graphic Abstract
3D打印/增材制造通過逐層添加材料來形成結構，由于其在能源、電池、結構電子、光電、超材料、機器人技術、微流體、醫(yī)療保健等各個領域的廣泛應用，已引起越來越多的關注 以及藥物運送。由于激光具有出色的指向性，可將能量有效地傳遞到目標材料，因此已廣泛用于3D打印中宏觀和微觀結構的快速原型制作。例如，可以通過高功率激光束選擇性地熔化或燒結微細金屬顆粒，以形成復雜的3D金屬零件。然而，直接縮小現(xiàn)有的用于納米級打印或納米打印的宏觀和微觀3D打印技術的規(guī)模是具有挑戰(zhàn)性的。納米粒子非常適合用作液體或氣體環(huán)境中進行納米印刷的原料，因為它們具有獨特的物理和化學性質，可以大批量且低成本生產定制設計產品。納米粒子一旦彼此接觸，便可以通過靜電力或范德華力彼此附著。因此，可以通過精確地操縱和組裝各個納米顆粒以形成最終結構，來實現(xiàn)納米級的3D納米打印。
現(xiàn)有技術限制
模板輔助方法（例如選擇性表面圖案化和毛細管組裝）已用于納米粒子的2D圖案化，但經(jīng)過需要多個步驟操作完成?；诠鈱W力的光學印刷已經(jīng)能夠將單個膠體納米粒子固定在基底上，但是印刷精度從根本上受到納米粒子在液體環(huán)境中的布朗運動的限制，并且由于熱泳力也受到2D制造的限制。激光誘導的向前/后轉移（LIFT / LIBT）技術可用于在氣態(tài)環(huán)境中打印2D和3D結構，但是必須使用脈沖激光。電流體動力印刷技術具有使用納米顆粒溶液作為墨水來印刷3D納米結構的能力，但缺乏單獨的納米顆粒控制的能力，并且需要導電表面才能使用。
本文研究人員展示了一種光熱機械納米印刷(OTM納米印刷)技術，該技術有可能克服納米級3D打印的上述局限性。OTM納米粒子具有以下獨特的特征:(1)電介質和金屬納米粒子都可以印刷到任何類型的基底上；(2)打印錯誤可以糾正；(3)用連續(xù)波激光代替脈沖激光；以及(4)納米印刷和納米分離都在空氣中進行，這可以避免液體環(huán)境中的潛在污染。
圖1. 光電熱機械納米打印(OTM納米印刷)的機理和納米3D打印展示
金納米粒子溶液首先被稀釋，然后在玻璃蓋玻片上由一層柔軟、薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成的供體基質上進行滴鑄和自然干燥。技術
OTM納米印刷涉及基本的光-物質相互作用，以及基底的熱力學行為、粒子-表面相互作用和粒子動力學。高分子材料(在該文實驗中是PDMS)具有很高的柔性和彈性，并且具有較大的線性熱膨脹系數(shù)(3.2 × 10–4 °C–1對于PDMS)，當暴露于由于AuNPs的激光加熱引起的突然溫度變化時，其可以在其表面附近提供顯著的熱膨脹力。在空氣中干燥后，金屬納米粒子（在本文實驗中為AuNP）通過范德華力（Fv）附著在施主襯底的表面（在本實驗中為PDMS）（如圖2a所示）。當AuNP被聚焦激光束照射時，它吸收激光能量并加熱其下的施主襯底，這導致施主襯底的快速熱膨脹。襯底的熱膨脹速率取決于襯底材料的熱膨脹系數(shù)和所施加的激光強度。在表面變形的早期階段，納米粒子與膨脹的基底一起移動（如圖2b所示）。在達到穩(wěn)態(tài)溫度之前，納米粒子的速度隨著基底的膨脹率的增加而繼續(xù)上升。最終，襯底的熱膨脹速率以及AuNP的速度達到它們的峰值。因此，在存在光學力的情況下，AuNP從襯底釋放并向上移動。
圖2. OTM-NP過程示意圖。
OTM-NP的解吸過程還可用于校正納米修復的印刷錯誤，如圖3c-e所示。字母“ N”首先通過在預熱的情況下在ITO涂層的玻璃基板上3D打印十四個200 nm AuNPs來印刷（如圖3c所示）。為了修復圖案“ N”，從字母中有選擇地移除了三個AuNP（用紅色圓圈標記）（如圖3d所示）。然后3d印刷包裝盒，將兩個新的AuNP（藍色圓圈標記）添加到字母“ N”以修復結構，如圖3e所示。圖3f顯示了由200 nm AuNP組成的單詞“ NANO”的光學圖像，該圖像通過使用OTM-NP和納米修復技術進行印刷和校正。
圖3. 3D納米印刷和納米修復
研究人員已經(jīng)成功證明了經(jīng)濟適用的OTM-NP方法，該方法可實現(xiàn)亞納米級以下的3D納米印刷和納米修復。因此3d印刷包裝盒，該技術可以潛在地用于制造2D和3D電子和光學設備，例如超表面甚至3D超材料。最后，它有可能被用作納米修復工具來糾正不可避免的且難以糾正的打印錯誤。這為工程師們提供了一種負擔得起的制造工具，用于制造納米結構和設備，這對于納米技術所實現(xiàn)的應用變得越來越重要。并且這項技術可以讓用戶糾正打印過程中出現(xiàn)的錯誤，誤差修正對于降低制造成本，提高生產線的成功率是極其重要。
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