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  增材制造技術(shù)為快速構(gòu)建任意復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)加工過程的低碳環(huán)保提供了可能。其中，雙光子聚合光刻 (Two-photon Polymerization Lithography, TPL) 是制備微納結(jié)構(gòu)最有前景的技術(shù)之一，具有巨大的應(yīng)用潛力，然而，TPL的打印分辨率受到材料的結(jié)構(gòu)剛性、光學(xué)衍射極限以及曝光鄰近效應(yīng)的限制，直接打印高精度亞波長結(jié)構(gòu)相對困難。雖然受激發(fā)射耗盡直接激光寫入技術(shù)和擴散輔助高分辨率 TPL 方法已被采用來提高分辨率，但是這些方法需要復(fù)雜的機械與光學(xué)系統(tǒng)和定制的光刻膠。熱解收縮可以幫助我們直接獲得高分辨率和高精度的納米級結(jié)構(gòu)，并增強結(jié)構(gòu)的機械性能，已廣泛應(yīng)用于力學(xué)超材料等的研究和應(yīng)用中。

  然而在熱解收縮過程中，由于結(jié)構(gòu)底層和襯底之間的粘附力，結(jié)構(gòu)底部很容易因收縮而變形。對實際應(yīng)用而言，結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致機械和光學(xué)性能不均勻，進而使器件的表現(xiàn)偏離初始設(shè)計。雖然通過借助可犧牲支撐結(jié)構(gòu)，如彈簧、腳手架和基座等來支撐主要結(jié)構(gòu)并部分規(guī)避這個問題，或者通過增加設(shè)計結(jié)構(gòu)的高度以在頂部獲得相對均勻的結(jié)構(gòu)，代價是犧牲扭曲的基底并增加打印時間，而且很多結(jié)構(gòu)可能無法實現(xiàn)設(shè)計所需的功能。到目前為止，尚無合適的方法來實現(xiàn)整個 3D 打印結(jié)構(gòu)的均勻收縮。

  近日，針對這一挑戰(zhàn)，新加坡科技設(shè)計大學(xué)（Singapore University of Technology and Design, SUTD）Joel K.W. Yang 教授團隊開發(fā)了一種基于取放工藝的3D打印微納結(jié)構(gòu)均勻收縮技術(shù)（圖1）。在這項研究中，作者使用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）為功能層來實現(xiàn) 3D 打印結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。 PVA 是一種水溶性聚合物，其在使用有機溶劑后處理3D打印結(jié)構(gòu)的過程中不受影響，但它很容易溶解在水中，因此 3D 結(jié)構(gòu)可以很容易地從原始襯底上分離，并被轉(zhuǎn)移到接收襯底上，從而以減小結(jié)構(gòu)基底和接收襯底之間的相互作用力。隨后，接收襯底上的 3D 結(jié)構(gòu)被加熱并收縮，進而獲得原始形狀的均勻收縮版本。作者制備了具有各種微米和納米級特征的3D結(jié)構(gòu)，并在光學(xué)和電子顯微鏡下觀察到了均勻收縮，證明該工藝的可行性（圖2）。作者還測量了所制備結(jié)構(gòu)的表面粗糙度、表面自由能和粘附力，對比了不同襯底下的熱解收縮過程以闡釋其中的均勻收縮機制（圖3）。最后，該團隊采用這項技術(shù)實現(xiàn)了光子晶體組成的彩色且不失真的復(fù)雜 3D 吉祥物模型（圖4）。由于該技術(shù)可以輕松控制任何形狀、尺寸、位置的3D結(jié)構(gòu)的均勻收縮，因而可以擴展至全彩和任意復(fù)雜設(shè)計，并應(yīng)用于光學(xué)和光子學(xué)中其他需要均勻 3D 微納結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，同時為進一步實現(xiàn) 3D 打印光學(xué)元件與其他器件的集成提供了新的解決方案。作者預(yù)計在未來的研究中，該技術(shù)方案可以進一步簡化， 例如，3D微觀物體的熱解收縮可以在高耐熱溶液材料（例如鏻離子液體）中預(yù)先進行，從而避免接收襯底的影響。此外，直接加熱而無需轉(zhuǎn)移過程的均勻收縮也值得深入探究。該技術(shù)及相關(guān)衍生技術(shù)也適用于其他增材制造工藝，并有助于為多尺度多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的加工開辟新的路徑。

圖4. 具有納米尺度特征的復(fù)雜3D光子晶體的均勻熱解收縮。

  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41535-9

  下載：Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials