戴頓大學(xué)物理學(xué)和電光學(xué)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(jí)（比人的頭發(fā)小一千倍）的3D打印方法，可以制造納米結(jié)構(gòu)并消除錯(cuò)誤。納米技術(shù)頂級(jí)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(guò)逐層添加材料來(lái)形成結(jié)構(gòu)，由于其在能源、電池、結(jié)構(gòu)電子、光電、超材料、機(jī)器人技術(shù)、微流體、醫(yī)療保健等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已引起越來(lái)越多的關(guān)注 以及藥物運(yùn)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(biāo)材料，因此已廣泛用于3D打印中宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的快速原型制作。例如，可以通過(guò)高功率激光束選擇性地熔化或燒結(jié)微細(xì)金屬顆粒，以形成復(fù)雜的3D金屬零件。然而，直接縮小現(xiàn)有的用于納米級(jí)打印或納米打印的宏觀和微觀3D打印技術(shù)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(jìn)行納米印刷的原料，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，可以大批量且低成本生產(chǎn)定制設(shè)計(jì)產(chǎn)品。納米粒子一旦彼此接觸，便可以通過(guò)靜電力或范德華力彼此附著。因此，可以通過(guò)精確地操縱和組裝各個(gè)納米顆粒以形成最終結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的3D納米打印。

現(xiàn)有技術(shù)限制

模板輔助方法（例如選擇性表面圖案化和毛細(xì)管組裝）已用于納米粒子的2D圖案化，但經(jīng)過(guò)需要多個(gè)步驟操作完成。基于光學(xué)力的光學(xué)印刷已經(jīng)能夠?qū)蝹€(gè)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(yùn)動(dòng)的限制，并且由于熱泳力也受到2D制造的限制。激光誘導(dǎo)的向前/后轉(zhuǎn)移（LIFT / LIBT）技術(shù)可用于在氣態(tài)環(huán)境中打印2D和3D結(jié)構(gòu)，但是必須使用脈沖激光。電流體動(dòng)力印刷技術(shù)具有使用納米顆粒溶液作為墨水來(lái)印刷3D納米結(jié)構(gòu)的能力，但缺乏單獨(dú)的納米顆?？刂频哪芰?，并且需要導(dǎo)電表面才能使用。

本文研究人員展示了一種光熱機(jī)械納米印刷(OTM納米印刷)技術(shù)，該技術(shù)有可能克服納米級(jí)3D打印的上述局限性。OTM納米粒子具有以下獨(dú)特的特征:(1)電介質(zhì)和金屬納米粒子都可以印刷到任何類(lèi)型的基底上；(2)打印錯(cuò)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(jìn)行，這可以避免液體環(huán)境中的潛在污染。

圖1. 光電熱機(jī)械納米打印(OTM納米印刷)的機(jī)理和納米3D打印展示

金納米粒子溶液首先被稀釋?zhuān)缓笤诓Ａw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(zhì)上進(jìn)行滴鑄和自然干燥。技術(shù)

OTM納米印刷涉及基本的光-物質(zhì)相互作用，以及基底的熱力學(xué)行為、粒子-表面相互作用和粒子動(dòng)力學(xué)。高分子材料(在該文實(shí)驗(yàn)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(duì)于PDMS)，當(dāng)暴露于由于AuNPs的激光加熱引起的突然溫度變化時(shí)，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(shí)驗(yàn)中為AuNP）通過(guò)范德華力（Fv）附著在施主襯底的表面（在本實(shí)驗(yàn)中為PDMS）（如圖2a所示）。當(dāng)AuNP被聚焦激光束照射時(shí)，它吸收激光能量并加熱其下的施主襯底，這導(dǎo)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(qiáng)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(dòng)（如圖2b所示）。在達(dá)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(dá)到它們的峰值。因此，在存在光學(xué)力的情況下，AuNP從襯底釋放并向上移動(dòng)。

圖2. OTM-NP過(guò)程示意圖。

OTM-NP的解吸過(guò)程還可用于校正納米修復(fù)的印刷錯(cuò)誤，如圖3c-e所示。字母“ N”首先通過(guò)在預(yù)熱的情況下在ITO涂層的玻璃基板上3D打印十四個(gè)200 nm AuNPs來(lái)印刷（如圖3c所示）。為了修復(fù)圖案“ N”，從字母中有選擇地移除了三個(gè)AuNP（用紅色圓圈標(biāo)記）（如圖3d所示）。然后，將兩個(gè)新的AuNP（藍(lán)色圓圈標(biāo)記）添加到字母“ N”以修復(fù)結(jié)構(gòu)，如圖3e所示。圖3f顯示了由200 nm AuNP組成的單詞“ NANO”的光學(xué)圖像，該圖像通過(guò)使用OTM-NP和納米修復(fù)技術(shù)進(jìn)行印刷和校正。

圖3. 3D納米印刷和納米修復(fù)

研究人員已經(jīng)成功證明了經(jīng)濟(jì)適用的OTM-NP方法，該方法可實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)以下的3D納米印刷和納米修復(fù)。因此，該技術(shù)可以潛在地用于制造2D和3D電子和光學(xué)設(shè)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(fù)工具來(lái)糾正不可避免的且難以糾正的打印錯(cuò)誤。這為工程師們提供了一種負(fù)擔(dān)得起的制造工具，用于制造納米結(jié)構(gòu)和設(shè)備，這對(duì)于納米技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。并且這項(xiàng)技術(shù)可以讓用戶(hù)糾正打印過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，誤差修正對(duì)于降低制造成本，提高生產(chǎn)線的成功率是極其重要。