近日，武漢光電國家研究中心和光學與電子信息學院熊偉教授團隊提出了一種多維度納米褶皺結構體的超快激光3D打印方法，首次實現(xiàn)了高空間復雜度和結構精細度的三維納米褶皺結構體的制備。相關成果以 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構，人工構建的褶皺結構已被廣泛應用于增強物體的表面性能，并在材料表征、微納制造、智能表面、柔性電子器件等領域展現(xiàn)出巨大的應用前景。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)域形成褶皺結構，而自然界中大多數(shù)褶皺結構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計的納米褶皺結構體的有效制造方法。如何通過控制表面不穩(wěn)定性，實現(xiàn)具有任意復雜三維空間幾何特征的納米褶皺結構體的成形，具有重要的科學理論和實際應用價值，也是褶皺制造領域的重要挑戰(zhàn)。

熊偉教授團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構的無掩膜制備，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構體。該策略利用響應性水凝膠前驅體在超快激光雙光子聚合過程前后的溶脹相變，引導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構體。

圖2 超快激光直寫誘導納米褶皺結構自組裝

通過調控界面應力失配程度，研究團隊實現(xiàn)了多維納米褶皺結構的可控按需制造和對褶皺特征形態(tài)的精確控制，其典型的褶皺結構波長為40 nm。進一步，通過引入結構應力失配，研究團隊實現(xiàn)了納米褶皺結構對材料表面力學性質的微觀反常調控，以及褶皺晶格結構體從表面起皺到結構形變轉換的仿生動態(tài)調節(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構體的激光微納增材制造方法，為仿生三維納米褶皺結構體在柔性電子、組織工程、微光學、微機械和新能源器件等方面的應用奠定了基礎。

圖3 基于超快激光三維組裝技術制備的多種納米褶皺結構體

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和湖北光谷實驗室。該研究工作獲得了國家重點研發(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基金的資助，并得到了華中科技大學分析測試中心、武漢光電國家研究中心微納工藝與表征平臺、光學與電子信息學院大型儀器共享平臺和機械學院先進制造與技術實驗中心的設施支持。