飞秒激光 3D 纳米打印：无机纳米构建块开启微观制造新时代

为解决飞秒激光 3D 打印功能纳米材料局限问题，研究人员用无机纳米构建块（NBBs）开展研究，实现无机 3D 微结构化，意义重大。

　　

一、研究背景

在微观制造的神奇世界里，飞秒激光 3D 纳米打印技术自 20 世纪 90 年代以来，凭借着飞秒激光双光子吸收（TPA）技术，能够实现逐点光聚合，成为制造三维（3D）微观结构的有力工具。想象一下，就像一位微观世界的建筑师，用激光 “画笔” 一点一点勾勒出微小的建筑。后来，科学家们更是突破了激光源的衍射极限，将 TPA 制造的空间分辨率提升到 120nm，制造出了精致的 “微牛” 雕塑。

然而，这个微观世界的发展并非一帆风顺。目前 TPA 制造可用的材料大多局限于光固化树脂，想要用飞秒激光 3D 打印出聚合物以外的功能纳米材料，就如同在微观世界里遇到了一堵难以逾越的高墙。为了跨越这堵墙，科学家们尝试了多种方法，比如在 3D 聚合物结构上进行无机材料的 conformal deposition，或者将无机纳米材料与光刻胶混合形成有机 - 无机纳米杂化材料进行 3D 纳米打印，但这些方法都存在各自的问题。所以，开发基于新型功能材料的 3D 纳米打印技术迫在眉睫。

二、研究概况

吉林大学集成光电子国家重点实验室以及东北师范大学先进光电功能材料研究中心等机构的研究人员，为了解决上述难题，开展了飞秒激光 3D 纳米打印使用无机纳米构建块（NBBs）的研究。他们的研究成果发表在《The Innovation》上，这一成果就像为微观制造领域带来了一把新的 “万能钥匙”，为制造功能微器件开辟了新的道路。

研究人员在研究过程中主要用到了两种关键技术方法：

1. 光激发诱导化学键合（PEB）技术：利用光激发使表面配体发生光学控制的脱离和重新结合，从而形成粒子间化学键，实现 3D 打印。以 3 - 巯基丙酸（MPA）封端的 CdSe/ZnS 量子点（QDs）为例，光激发产生的空穴转移到表面，引发 MPA 配体解吸，为附近量子点之间的粒子间键合留下未占据的活性位点，进而将分散的量子点打印成亚 100nm 分辨率的密集 3D 结构。
2. 光化学键合技术：受原子尺度物质组织的启发，将带有天然配体的无机 NBBs 视为人工 “原子”，少量光敏双叠氮分子作为人工 “化学键”。在飞秒激光照射下，双叠氮分子两端产生活性氮宾自由基，与量子点配体发生 C - H 插入反应，实现无机 3D 微结构的制造。

三、研究结果

1. 光激发诱导化学键合（PEB）实现无机 3D 打印：研究人员通过 PEB 方法，以半导体量子点（QDs）作为 NBBs，实现了飞秒激光直接写入无机 3D 微结构。该技术能够将分散的 QDs 通过编程聚焦飞秒激光在 QD 溶液中的路径，打印成紧密堆积的 3D 结构，分辨率可达亚 100nm。这一技术还适用于不同颜色的 CdSe/ZnS QDs 以及其他 MPA 封端的 QDs 和银纳米颗粒。
2. 光化学键合技术拓展材料适用性：研究人员开发的光化学键合技术，具有广泛的材料适用性。这种技术可以使多种无机 NBBs，包括超过 10 种半导体、金属氧化物、金属及其混合物，组装成复杂 3D 结构、多组分结构和异质结构。利用该技术制造的半导体纳米螺旋阵列展现出宽带可见光和近红外手性光学响应，各向异性因子高达 0.24，是自组装手性结构的 20 倍。同时，该技术制备的无机结构纯度高，无机质量分数大于 90%，剩余有机成分源于天然表面配体和少量双叠氮添加剂（低至 0.2 wt%），并且能够保留量子点的固有性质，如尺寸依赖的吸收和光致发光特性。此外，由量子点组成的微柱具有高抗压强度（>1 GPa）和高断裂应变（55%）。

四、研究结论与讨论

研究人员成功开发了飞秒激光 3D 纳米打印使用无机 NBBs 的技术，这一成果证明了使用无机 NBBs 进行 3D 微结构化的可能性，突破了飞秒激光制造在材料适用性方面的局限，有望弥合无机纳米材料与各种功能微器件之间的差距。然而，目前该技术仍处于早期阶段，面临着一系列挑战。例如，不同无机纳米材料表面配体不同，技术的通用性需要更多实验验证，还需要开发新的光化学 / 光物理方案。此外，可打印无机构建块的尺寸依赖性也值得深入研究。未来的研究应更多地聚焦于开发新型功能器件，以满足不同领域的前沿应用需求。但不可否认的是，这项研究成果为微观制造领域注入了新的活力，随着技术的不断进步，飞秒激光 3D 纳米打印使用无机 NBBs 有望成为制造纳米级功能器件的重要手段，在未来的科技发展中发挥巨大的作用。