OTM纳米3D打印技术可实现经济化生产

来源：江苏省激光产业技术创新战略联盟

戴顿大学物理学和电光学研究人员Md Shah Alam、Qiwen Zhan和Chenglong Zhao创造了一种成本较低的纳米级（比人的头发小一千倍）的3D打印方法，可以制造纳米结构并消除错误。纳米技术顶级期刊《Nano Letters》发表了他们的研究成果。

3D打印/增材制造通过逐层添加材料来形成结构，由于其在能源、电池、结构电子、光电、超材料、机器人技术、微流体、医疗保健等各个领域的广泛应用，已引起越来越多的关注 以及药物运送。由于激光具有出色的指向性，可将能量有效地传递到目标材料，因此已广泛用于3D打印中宏观和微观结构的快速原型制作。例如，可以通过高功率激光束选择性地熔化或烧结微细金属颗粒，以形成复杂的3D金属零件。然而，直接缩小现有的用于纳米级打印或纳米打印的宏观和微观3D打印技术的规模是具有挑战性的。纳米粒子非常适合用作液体或气体环境中进行纳米印刷的原料，因为它们具有独特的物理和化学性质，可以大批量且低成本生产定制设计产品。纳米粒子一旦彼此接触，便可以通过静电力或范德华力彼此附着。因此，可以通过精确地操纵和组装各个纳米颗粒以形成最终结构，来实现纳米级的3D纳米打印。

现有技术限制
模板辅助方法（例如选择性表面图案化和毛细管组装）已用于纳米粒子的2D图案化，但经过需要多个步骤操作完成。基于光学力的光学印刷已经能够将单个胶体纳米粒子固定在基底上，但是印刷精度从根本上受到纳米粒子在液体环境中的布朗运动的限制，并且由于热泳力也受到2D制造的限制。激光诱导的向前/后转移（LIFT / LIBT）技术可用于在气态环境中打印2D和3D结构，但是必须使用脉冲激光。电流体动力印刷技术具有使用纳米颗粒溶液作为墨水来印刷3D纳米结构的能力，但缺乏单独的纳米颗粒控制的能力，并且需要导电表面才能使用。

本文研究人员展示了一种光热机械纳米印刷(OTM纳米印刷)技术，该技术有可能克服纳米级3D打印的上述局限性。OTM纳米粒子具有以下独特的特征:(1)电介质和金属纳米粒子都可以印刷到任何类型的基底上；(2)打印错误可以纠正；(3)用连续波激光代替脉冲激光；以及(4)纳米印刷和纳米分离都在空气中进行，这可以避免液体环境中的潜在污染。

图1. 光电热机械纳米打印(OTM纳米印刷)的机理和纳米3D打印展示

金纳米粒子溶液首先被稀释，然后在玻璃盖玻片上由一层柔软、薄的聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的供体基质上进行滴铸和自然干燥。技术

OTM纳米印刷涉及基本的光-物质相互作用，以及基底的热力学行为、粒子-表面相互作用和粒子动力学。高分子材料(在该文实验中是PDMS)具有很高的柔性和弹性，并且具有较大的线性热膨胀系数(3.2 × 10–4 °C–1对于PDMS)，当暴露于由于AuNPs的激光加热引起的突然温度变化时，其可以在其表面附近提供显著的热膨胀力。在空气中干燥后，金属纳米粒子（在本文实验中为AuNP）通过范德华力（Fv）附着在施主衬底的表面（在本实验中为PDMS）（如图2a所示）。当AuNP被聚焦激光束照射时，它吸收激光能量并加热其下的施主衬底，这导致施主衬底的快速热膨胀。衬底的热膨胀速率取决于衬底材料的热膨胀系数和所施加的激光强度。在表面变形的早期阶段，纳米粒子与膨胀的基底一起移动（如图2b所示）。在达到稳态温度之前，纳米粒子的速度随着基底的膨胀率的增加而继续上升。最终，衬底的热膨胀速率以及AuNP的速度达到它们的峰值。因此，在存在光学力的情况下，AuNP从衬底释放并向上移动。

图2. OTM-NP过程示意图。

OTM-NP的解吸过程还可用于校正纳米修复的印刷错误，如图3c-e所示。字母“ N”首先通过在预热的情况下在ITO涂层的玻璃基板上3D打印十四个200 nm AuNPs来印刷（如图3c所示）。为了修复图案“ N”，从字母中有选择地移除了三个AuNP（用红色圆圈标记）（如图3d所示）。然后，将两个新的AuNP（蓝色圆圈标记）添加到字母“ N”以修复结构，如图3e所示。图3f显示了由200 nm AuNP组成的单词“ NANO”的光学图像，该图像通过使用OTM-NP和纳米修复技术进行印刷和校正。

图3. 3D纳米印刷和纳米修复

研究人员已经成功证明了经济适用的OTM-NP方法，该方法可实现亚纳米级以下的3D纳米印刷和纳米修复。因此，该技术可以潜在地用于制造2D和3D电子和光学设备，例如超表面甚至3D超材料。最后，它有可能被用作纳米修复工具来纠正不可避免的且难以纠正的打印错误。这为工程师们提供了一种负担得起的制造工具，用于制造纳米结构和设备，这对于纳米技术所实现的应用变得越来越重要。并且这项技术可以让用户纠正打印过程中出现的错误，误差修正对于降低制造成本，提高生产线的成功率是极其重要。