以下文章来源于低维 昂维 ，作者低维 昂维
三维纳米制造是一种利用纳米技术制造三维物体的方法。这种技术可以制造出极小、极精细的三维物体，具有独特的物理和化学性质。三维纳米制造技术主要分为两类：一类是利用激光技术，通过激光扫描模板来制造三维物体；另一类是利用化学成核技术，通过化学反应在固体表面生长出三维纳米结构。
三维纳米制造技术在许多领域得到了广泛应用，例如生物医学、航空航天、计算机科学等。在生物医学领域，三维纳米制造技术可以用来制造微型器官模型，便于研究器官功能。在航空航天领域，三维纳米制造技术可以用来制造超级强的、超轻的结构体，便于提高飞行器的效率。在计算机科学领域，三维纳米制造技术可以用来制造超灵敏的传感器，便于提高计算机的性能。
近日，来自香港中文大学的Shih-Chi Chen教授和美国卡内基梅隆大学的Yongxin Zhao教授共同领导的国际研究团队在Science上以Three-dimensional nanofabrication via ultrafast-laser patterning and kinetically regulated material assembly为题发表重要进展文章，报道了该研究团队通过使用飞秒光片和负载纳米颗粒的水凝胶在广泛的多种材料中实现了三维纳米制造。该方法不仅适用于陶瓷、聚合物、金属、半导体和其他材料，而且能够保持非常精细的特征尺寸。这种技术可以实现不同种类材料的纳米制造，在三维纳米制造方面具有重要的应用前景。
图1 三维纳米制造的实验装置、流程和结果
图源：Science 378, 1325-1331 (2022).
纳米制造是一种用于制造纳米尺度的微纳米级结构和功能的技术。纳米制造技术可以用于制造各种纳米结构，包括纳米线、纳米管、纳米点、纳米颗粒等。这些纳米结构具有特殊的物理性质和化学性质，并且可以应用于各种领域，如电子学、生物医学、能源、材料科学等。
传统纳米制造技术包括许多不同的方法，主要有以下几种：
光刻技术：光刻技术是使用光来模拟微纳米级结构的一种方法。它通常使用激光或其他高能光源将模板刻到一种光敏材料上，然后使用化学方法将这种材料转化为所需的纳米结构。光刻技术具有高精度、快速、可重复性好等优点，常用于制造纳米线、纳米点、纳米管等结构。
化学气相沉积技术：化学气相沉积技术是使用化学反应在表面沉积一种材料的方法。它通常使用气体或溶液作为原料，在表面通过化学反应形成所需的纳米结构。化学气相沉积技术具有成本低、速度快、可控性高等优点，常用于制造纳米线、纳米点、纳米管等结构。
原子层沉积技有：原子层沉积技术是使用原子或分子沉积在表面形成纳米结构的方法。它通常使用原子或分子水平地沉积在表面，
而这些传统纳米技术的一个主要挑战是其难以用所需材料制造复杂的三维（3D）结构。
因此，在纳米技术领域，纳米级的多材料三维（3D）制造一直是人们追求的目标。大多数3D纳米制造技术依赖于光刻方法来创建具有纳米级分辨率的复杂结构。
尽管有许多先前的尝试，用于纳米制造的材料选择在很大程度上仍然局限于聚合物材料或金属。在不损害现有结构复杂性、纳米级特征尺寸和材料功能的情况下，为更广泛的材料类别提供制造解决方案仍然是一个关键挑战。
在这篇论文中，研究人员提出了一种利用包括金属、金属合金、2D材料、氧化物、金刚石、上转换材料、半导体、聚合物、生物材料、分子晶体和油墨的材料库来制造任意3D纳米结构的策略。具体而言，这种方法通过飞秒光片图案化的水凝胶被用作模板，允许直接组装材料以形成设计的纳米结构。通过微调曝光策略和图案化凝胶的特征，研究人员实现了20至200nm分辨率的2D和3D结构。
此外，研究人员还制造了加密光存储和微电极等纳米器件，以展示其设计的功能和精度。这些结果表明，这种三维制造的方法为不同类别材料的纳米制造提供了系统的解决方案，并为复杂纳米器件的设计开辟了进一步的可能性。
图2 材料库的多样性
图源：Science 378, 1325-1331 (2022).
在这篇论文中，研究人员报道了一种通过可编程fs光片实现的动力学效应直接在水凝胶中创建各种材料的任意3D图案的策略。此前，该光学系统用于双光子光刻以生成3D聚合物微结构和纳米结构。这项工作发现其超高峰值强度（>1 TW/cm2）可以在纯水中直接修饰聚丙烯酸酯-聚丙烯酰胺水凝胶的聚合物网络，从而降低支架密度并提高在暴露部位形成氢键的能力。
研究人员利用这一现象以设计的3D几何形状对凝胶进行构图，然后通过由尺寸依赖的空间效应或氢键密度增加引起的区域选择性将材料颗粒选择性地组装到位点。由于该方法使用动力学因素直接组装材料，这种策略可以扩展到具有合适尺寸或亲水性的水分散材料。
为了验证这一点，研究人员使用材料库制作了各种3D结构，包括金属、合金、2D材料、上转换材料、金刚石、分子晶体、氧化物、半导体、生物材料、聚合物、荧光物质，甚至钢笔墨水。此外，图案化凝胶的特征可以在材料沉积之前预先调整，以实现亚衍射极限分辨率（20至35nm）。组装的材料颗粒被密集填充以形成3D结构，外表面粗糙度<5nm，材料填充率约为60%（体积），这表明该方法非常适合于纳米器件制造。
此外，通过利用纳米级的特征尺寸和高激光图案化率，文章通过物理收缩3D纳米结构中的光学写入信息，展示了一种光学存储和加密方法。
作为概念验证演示，研究人员设计并制作了一个编码“科学”的七层3D结构，其中每层包含一个200 x 200像素的全息图，用字母（像素大小2000 nm）编码。设计的全息图通过fs光片在完全膨胀的凝胶中图案化。在完全收缩后，结构的每个像素被减小到约150nm，存储密度为20太比特（Tb）/cm3。由于特征尺寸低于衍射极限和3D性质，存储在结构中的信息被有效加密。当图案化厚度减小的结构时，它们是完全不可见的。在光学显微镜下只能观察到没有结构细节的半透明矩形。此外，收缩和脱水的水凝胶具有化学稳定性，可以长期储存。
为了解密该结构，将该装置在NaOH溶液中重新膨胀，并用CdSe QD沉积，以通过共焦显微镜读取存储的全息图，随后将其解码为“科学”。从这些结果中，研究人员确认了该方法可以以高保真度检索存储的全息图。
考虑到fs光片的高图案速率，该方法实现了高达84兆位（Mbit）/s的光学写入速度和约5 PB（Pbit）/cm3的理论存储密度（通过将像素大小设置为约40 nm）。fs图案化系统可以修改为时间聚焦显微镜，以实现~84Mbit/s的光学读取速度，这可能在数字数据存储领域创造全新的应用机会。
图3 基于三维纳米制造工作制备的衍射光学器件可以实现光学存储和加密
图源：Science 378, 1325-1331 (2022).
总而言之，这篇论文提出了一种通过飞秒光片图案化的水凝胶制造三维纳米结构的全新方法。这种方法通过微调曝光策略和图案化凝胶的特征，可以实现20至200nm分辨率的2D和3D结构。这些结果表明，这种三维制造的方法为不同类别材料的纳米制造提供了系统的解决方案，并为复杂纳米器件的设计开辟了进一步的可能性。
这种纳米制造技术具有巨大的应用前景，因为它可以制造出具有特殊物理性质和化学性质的纳米结构，这些纳米结构可以应用于许多领域。例如，纳米制造技术可以用于制造高效的太阳能电池、超级电容器、超导体、以及生物医学传感器等。此外，纳米制造技术还可以用于制造新型的材料，如高强度、高导电性、高耐热等材料，这些材料可以用于各种应用领域。
随着纳米制造技术的不断发展，未来会有更多的应用领域得到支持。例如，纳米制造技术可能会用于制造新型的医疗器械、新型的能源转化装置、以及智能机器人等。因此，纳米制造技术具有巨大的潜力和前景，将会在未来发挥重要的作用。
参考文献：
Fei Han, Songyun Gu, Aleks Klimas, Ni Zhao, Yongxin Zhao, Shih-Chi Chen. Three-dimensional nanofabrication via ultrafastlaser patterning and kinetically regulated material assembly. Science 378, 1325-1331 (2022).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420
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