近日，武漢光電國家研究中心和光學(xué)與電子信息學(xué)院熊偉教授團(tuán)隊提出了一種多維度納米褶皺結(jié)構(gòu)體的超快激光3D打印方法，首次實現(xiàn)了高空間復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)精細(xì)度的三維納米褶皺結(jié)構(gòu)體的制備。相關(guān)成果以 3D Printing of Nano-wrinkled Architectures via Laser Direct Assembly 為題發(fā)表于最新一期《Science Advances》期刊。

圖1 超快激光誘導(dǎo)納米體素起皺示意圖

褶皺是自然界中最廣泛存在的表面結(jié)構(gòu)，人工構(gòu)建的褶皺結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)物體的表面性能，并在材料表征、微納制造、智能表面、柔性電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。現(xiàn)有的起皺方法由于成型原理限制，只能在特定表面和指定區(qū)域形成褶皺結(jié)構(gòu)，而自然界中大多數(shù)褶皺結(jié)構(gòu)遵循自由曲面的空間分布，目前國際上尚缺乏具備高空間自由度并可按需設(shè)計的納米褶皺結(jié)構(gòu)體的有效制造方法。如何通過控制表面不穩(wěn)定性，實現(xiàn)具有任意復(fù)雜三維空間幾何特征的納米褶皺結(jié)構(gòu)體的成形，具有重要的科學(xué)理論和實際應(yīng)用價值，也是褶皺制造領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

熊偉教授團(tuán)隊提出了一種自下而上的激光直寫組裝策略，通過單一材料一步工藝實現(xiàn)了多維度納米褶皺結(jié)構(gòu)的無掩膜制備，打印出了具有高空間分辨率和幾乎任意三維形狀的納米褶皺結(jié)構(gòu)體。該策略利用響應(yīng)性水凝膠前驅(qū)體在超快激光雙光子聚合過程前后的溶脹相變，引導(dǎo)體素單元表面的納米起皺和三維自組織成型。在整個起皺過程中，僅需在單一水凝膠前驅(qū)體材料中執(zhí)行飛秒激光直寫步驟，通過激光直寫路徑規(guī)劃將納米褶皺體素單元靈活地組裝為一維、二維或三維多層級的納米褶皺結(jié)構(gòu)體。

圖2 超快激光直寫誘導(dǎo)納米褶皺結(jié)構(gòu)自組裝

通過調(diào)控界面應(yīng)力失配程度，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了多維納米褶皺結(jié)構(gòu)的可控按需制造和對褶皺特征形態(tài)的精確控制，其典型的褶皺結(jié)構(gòu)波長為40 nm。進(jìn)一步，通過引入結(jié)構(gòu)應(yīng)力失配，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了納米褶皺結(jié)構(gòu)對材料表面力學(xué)性質(zhì)的微觀反常調(diào)控，以及褶皺晶格結(jié)構(gòu)體從表面起皺到結(jié)構(gòu)形變轉(zhuǎn)換的仿生動態(tài)調(diào)節(jié)。該研究提出并實現(xiàn)了一種可制備任意多維納米褶皺結(jié)構(gòu)體的激光微納增材制造方法，為仿生三維納米褶皺結(jié)構(gòu)體在柔性電子、組織工程、微光學(xué)、微機(jī)械和新能源器件等方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖3 基于超快激光三維組裝技術(shù)制備的多種納米褶皺結(jié)構(gòu)體

該論文第一作者為武漢光電國家研究中心博士生范旭浩，通訊作者為熊偉教授，研究單位為華中科技大學(xué)和湖北光谷實驗室。該研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、湖北光谷實驗室創(chuàng)新基金和中國博士后科學(xué)基金的資助，并得到了華中科技大學(xué)分析測試中心、武漢光電國家研究中心微納工藝與表征平臺、光學(xué)與電子信息學(xué)院大型儀器共享平臺和機(jī)械學(xué)院先進(jìn)制造與技術(shù)實驗中心的設(shè)施支持。