2022年發(fā)表在《Nature》和《Science》上的11篇3D打印論文

2022年結束了，過去的一年里3D打印行業(yè)跌宕起伏，但總體繼續(xù)向上發(fā)展，全球繼續(xù)涌現(xiàn)出一批高質量的3D打印科研成果，并發(fā)表在《Nature》和《Science》等世界頂級期刊上。

本文南極熊將整理2022年在《Nature》和《Science》正刊上發(fā)表的11篇3D打印科研論文，其中有5篇論文中出現(xiàn)了中國科學家（含國外高校和國內高校）的身影，讓我們來回顧一下2022年3D打印科研領域都有哪些重磅成果，整理的或有遺漏歡迎補充。

No.1 多無人機協(xié)同3D打印蓋房子，研究登上Nature封面（詳細介紹）

2022年9月，一項3D打印研究成果登上了《Nature》雜志封面，倫敦帝國理工學院和歐洲空間局(Empa)研究人員創(chuàng)建了一個以蜜蜂為靈感的3D打印無人機艦隊。整個艦隊由2種無人機組成：一個是打印建造的BuilDrones，另一個監(jiān)督和評估工作的ScanDrones。它們將用于難以進入或危險地區(qū)的建筑建造，還可以幫助災后救援建設。

帝國理工提出的體系被稱為 Aerial-AM，它將生物合作機制與工程原理相結合，使用多個無人機來實現(xiàn)。

無人機團隊實現(xiàn)自主增材制造需要并行開發(fā)多項關鍵技術，其中包括：
1）能夠進行高精度材料沉積和打印質量，實時定性評估的空中機器人；
2）空中機器人團隊能夠相互廣播自己的活動，無線共享數(shù)據(jù)，互不干擾；
3）自主導航和任務規(guī)劃系統(tǒng)，結合打印路徑策略自適應地確定和分配制造任務；
4）設計或選擇材料規(guī)劃，特別是輕質和可打印的水泥混合物，適用于空中增材制造方法，無需模板或臨時腳手架。

為了展示無人機的能力，研究人員使用泡沫和一種特殊的輕質水泥材料，建造了高度從 0.18 米到 2.05 米不等的結構。與預想的原始藍 圖相比，誤差不到 5 毫米。

該研究的領導者、英國帝國理工學院空中機器人實驗室主任 Mirko Kovac 表示：這種方法可以用于在北極甚至火星上建造建筑物，或者幫助修復通常需要昂貴的腳手架的高層建筑。

不過，目前該技術還受到一些限制，因為無人機難以承載重物，需要定期充電，并且仍然需要人工監(jiān)督。然而，研究人員表示，他們希望通過在項目研究期間自動為無人機充電來緩解其中的一些問題。

No.2  《Nature》：體積3D打印技術再迎突破（詳細介紹）

2022年4月，美國斯坦福大學的Daniel N. Congreve等研究者，在小于4毫瓦的連續(xù)波激發(fā)下，實現(xiàn)了三重態(tài)融合上轉換的體積打印。相關論文以題為“Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing”于發(fā)表在Nature上。

研究者展示了二次過程的優(yōu)勢(下圖 a, b)，顯示了激發(fā)光束焦點處的上轉換。這種上轉換過程，利用湮滅分子中的激子態(tài)產(chǎn)生相對于敏化劑吸收的反斯托克斯發(fā)射；有關該過程的完整描述見下圖c。至關重要的是，最后的上轉換步驟需要兩個激發(fā)的湮滅三聯(lián)態(tài)碰撞，它們融合形成一個更高能量的湮滅單線態(tài)，然后釋放藍光，通過與光引發(fā)劑耦合，可用于局部驅動光聚合。這個過程具有二次性質，因為需要滿足兩個三重態(tài)，但要求相對較低的光將由于高感光劑的吸收系數(shù)與雙光子吸收(2 PA)，因為這個過程不需要由一個分子同時吸收兩個光子。通過明智地選擇敏化劑和湮滅劑，三態(tài)融合上轉換在激發(fā)和發(fā)射波長中也很容易調諧。

圖. 三重態(tài)融合上轉換3D打印

為了應對這些挑戰(zhàn)，研究者首先開發(fā)了一種調整上轉換閾值的策略。研究者選擇9,10-雙((三異丙基硅基)乙基)蒽(TIPS-蒽)作為湮滅劑，選擇鈀(II)-中四苯基四苯基卟啉(PdTPTBP)作為敏化劑。研究者使用三重態(tài)融合上轉換，在小于4毫瓦的連續(xù)波激發(fā)下實現(xiàn)了體積打印。通過包封硅膠殼和溶解配體，將上轉換引入樹脂。研究者進一步引入激子策略來系統(tǒng)地控制上轉換閾值，以支持單像素或并行打印方案，打印的功率密度比基于雙光子的3D打印所需的功率密度低幾個數(shù)量級。

No.3 《Nature》：顛覆傳統(tǒng)工藝！增材制造高度孿晶結構和高硬度微結構金屬�。�詳細介紹）

2022年11月，加州理工大學Max A. Saccone ，Daryl W. Yee和Julia R. Greer等人通過vat光聚合技術(vat photopolymerization, VP)生產(chǎn)具有微尺度分辨率的金屬和合金的增材制造技術，具有3D結構的水凝膠被注入到金屬前驅體，然后進行燒結和還原，從而將水凝膠支架轉化為微型金屬復制品。相關研究成果以題“Additive manufacturing of micro-architected metals via hydrogel infusion”發(fā)表在國際著名期刊Nature上。

圖 水凝膠注入增材制造工藝流程示意圖。a、HIAM流程示意圖。PEGda-/DMF基的3D打印有機凝膠結構在浸出個光活性化合物、溶劑交換和注入適當?shù)乃�前驅體后轉化為注入水凝膠副本。隨后在空氣中煅燒形成金屬氧化物結構，在形成氣體時還原為金屬。b-e，銅金屬的HIAM工藝。f，通過HIAM制造的其他金屬包括Ag和Ni，二元合金CuNi，高熵合金CuNiCoFe和耐火合金W-Ni。g，八面體晶格，一端注入Cu(NO3)2，另一端注入Co(NO3)2。經(jīng)過煅燒和還原，Cu/Co凝膠轉變?yōu)閔，一種Cu/Co多材料。i，幾種不同注入凝膠的平行煅燒。比例尺:b、c、5 mm；d-f 1毫米；g, 1厘米；h, 2毫米；i,2厘米。

HIAM工藝能夠使用一種通用的方法構造微結構金屬3D結構。聚合物支架內的金屬鹽轉化為金屬氧化物，并隨后還原為金屬和合金，只需要目標材料具有水溶性前體，且煅燒后形成的中間氧化物可以被氫氣還原。使用這種可訪問的高分辨率工藝制造金屬的能力為制造能源材料、微機電系統(tǒng)和生物醫(yī)學設備提供了新的機會。由于只有在零件成型后才選擇材料，因此定向灌注可以制造金屬多材料。前所未有的成分靈活性使多組分合金的制造成為可能，如高熵合金和耐火合金，已知具有導致優(yōu)越高溫行為和提高屈服強度的金屬間相。HIAM提供了一種實用而強大的功能，可以應用到蓬勃發(fā)展的VP打印生態(tài)系統(tǒng)中，因而對工業(yè)使用有著直接的影響。

No.4 《Nature》：3D打印1微米的細絲，用簡單的機器為更強大的手機和 WiFi 鋪平道路（詳細介紹）

2022年10月，來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的一組研究人員開發(fā)了一種簡單的機器，它利用水的表面張力來抓取和操縱微觀物體，為納米制造創(chuàng)造了可能。

這項研究以題為“3D-printed machines that manipulate microscopic objects using capillary forces”的論文被發(fā)表在《Nature》期刊上。

△利用毛細管排斥力誘捕和操縱物體。

論文的高級作者、化學工程 Wagner 家族教授和 SEAS 物理學教授Vinothan Manoharan說：“我們的工作提供了一種潛在的廉價方法來制造微結構和可能的納米結構材料。與激光鑷子等其他顯微操作方法不同，我們的機器可以輕松制造。我們使用一箱水和一臺 3D 打印機，就像在許多公共圖書館中發(fā)現(xiàn)的那樣�！�

這臺機器是一個 3D 打印的塑料矩形，大小與舊任天堂墨盒差不多。該設備的內部雕刻有相交的通道。每個通道都有寬窄的部分，就像一條在某些地方擴張而在其他地方變窄的河流。通道壁是親水的，這意味著它們會吸引水。

通過一系列模擬和實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，當他們將設備浸入水中并在通道中放置一個毫米大小的塑料浮子時，水的表面張力會導致墻壁排斥浮子。如果浮子在通道的狹窄部分，它會移動到較寬的部分，在那里它可以盡可能遠離墻壁漂浮。

一旦進入通道的較寬部分，浮子將被困在中心，由墻壁和浮子之間的排斥力保持在適當?shù)奈恢�。當設備從水中提起時，排斥力會隨著通道形狀的變化而變化。如果浮標開始時位于較寬的通道中，隨著水位下降，它可能會發(fā)現(xiàn)自己處于狹窄的通道中，需要向左或向右移動以找到更寬的位置。

然后，研究人員將微觀纖維附著在漂浮物上。隨著水位的變化和浮子在通道內向左或向右移動，纖維相互纏繞。

然后，該團隊添加了第三個帶有纖維的浮子，并設計了一系列通道以編織模式移動浮子。他們成功地編織了合成材料凱夫拉纖維的微米級纖維。辮子就像傳統(tǒng)的三股發(fā)辮，只是每根纖維比一根人類頭發(fā)小 10 倍。

研究人員隨后表明，漂浮物本身可能是微觀的。他們制造了可以捕獲和移動大小為 10 微米的膠體顆粒的機器——盡管這些機器要大一千倍。

No. 5 《Nature》：南京大學張勇等發(fā)明用激光3D打印納米鐵電疇（詳細介紹）
2022年9月，南京大學科研團隊開發(fā)了一種新型非互易飛秒激光極化納米鐵電疇技術，并在鈮酸鋰晶體中成功演示了激光3D打印納米鐵電疇，相關工作以"Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains"為題發(fā)表在《Nature》上。論文通訊作者為南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院張勇教授，第一作者為頊曉儀博士和王天新同學，論文工作得到了肖敏教授和祝世寧教授的悉心指導，上海理工大學顧敏教授和南京大學吳迪教授提供了重要支持，合作者還包括上海理工大學方心遠副教授和中山大學魏敦釗副教授等。

鈮酸鋰得益于其優(yōu)越的透射譜范圍、非線性光學系數(shù)、電光和壓電性能，是下一代5G/6G通訊和光子芯片的重要載體。特別的是，在鈮酸鋰晶體中制備鐵電疇結構，在非線性光學、聲學濾波器、非易失鐵電存儲等領域有廣泛的應用前景。

早在上個世紀八十年代，南京大學的研究小組就采用晶體生長條紋技術在鈮酸鋰晶體中得到了周期為幾微米的鐵電疇陣列結構，驗證了準相位匹配原理，開啟了周期極化鈮酸鋰晶體（又稱非線性光子晶體）在激光變頻、量子光源等領域的廣泛應用。

要進一步提升鈮酸鋰鐵電疇器件的性能，亟需在三維空間實現(xiàn)納米精度的鐵電疇結構可控制備。然而，受限于傳統(tǒng)加工技術，該問題一直是困擾研究人員的巨大挑戰(zhàn)。

此次，南京大學的研究團隊發(fā)展了一種新型非互易激光極化鐵電疇技術，將飛秒脈沖激光聚焦于鈮酸鋰晶體內部進行直寫，得到了納米線寬的三維鐵電疇結構。在直寫過程中，鈮酸鋰晶體在高強度激光作用下發(fā)生多光子吸收，導致局部晶體溫度升高，既使得鈮酸鋰晶體的局域矯頑場降低，又在晶體內部形成了一個有效電場。

在二者共同作用下，晶體內部形成一個有效區(qū)域，可以實現(xiàn)鐵電疇極化反轉。同時，有效電場方向的分布特性決定了激光直寫鐵電疇具有非互易特性，即沿不同方向直寫可以實現(xiàn)不同線寬的鐵電疇極化以及反極化。

△飛秒激光3D打印納米鐵電疇

研究人員利用這一特性設計了不同的加工工藝，在三維空間上均實現(xiàn)了突破衍射極限的鐵電疇線寬控制，實驗中成功制備出線寬為100 nm~400 nm的條形鐵電疇和尖端寬度為30 nm的楔形鐵電疇。

同時，還演示了鐵電疇結構從一維向二維和三維的結構轉換，并實現(xiàn)了高效非線性光束整形。此外，該加工方法得到的鐵電疇具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過兩年的時效處理或者300℃高溫處理后依然穩(wěn)定存在。

No.6 《Nature》：增材制造得到高強度且高韌性的納米片層高熵合金（詳細介紹）

2022年8月，美國麻省大學陳文教授與佐治亞理工學院朱廷教授團隊合作在Nature發(fā)表成果，使用L-PBF打印了AICoCrFeNi2.1的雙相納米層狀高熵合金(HEAs)，其表現(xiàn)出約1.3GPa的高屈服強度和約14%的大均勻伸長率，這超過了其他先進的金屬3D打印材料。

增材制造為工程應用逐層生產(chǎn)網(wǎng)狀部件。通過激光粉末床熔融(L-PBF)進行金屬合金的增材制造涉及大的溫度梯度和快速冷卻，這使得微觀結構在納米尺度上重新細化以實現(xiàn)高強度。然而，通過激光增材制造生產(chǎn)的高強度納米結構合金通常延展性有限。在這里，我們使用L-PBF打印AlCoCrFeNi2.1的雙相納米片層高熵合金(HEAs)，該合金表現(xiàn)出約1.3千兆帕斯卡的高屈服強度和約14%的大均勻伸長率的組合，超過了其他最先進的增材制造的金屬合金。


高屈服強度源于由交替的面心立方和體心立方納米片晶組成的雙相結構的強化效應；體心立方納米片層比面心立方納米片層顯示出更高的強度和更高的硬化速率。大的拉伸延展性歸因于印刷的分級微結構的高加工硬化能力，所述分級微結構為嵌入微米級共晶團的雙相納米片晶的形式，其具有幾乎隨機的取向以促進各向同性的機械性能。對增材制造的高熵合金的變形行為的機械見解對于開發(fā)具有優(yōu)異機械性能的分級、雙相和多相、納米結構合金具有廣泛的意義。

增材制造通常在金屬材料中產(chǎn)生具有高度不均勻晶粒幾何形狀、亞晶位錯結構和化學偏析的微結構，包括鋼、鈷基或鎳基超級合金、鋁合金、鈦合金和高熵合金(HEAs)。共晶高熵合金代表了一類有前途的多主元素合金(也稱為成分復雜的合金),可以形成雙相片層群落的分級微結構，從而為實現(xiàn)優(yōu)異的機械性能提供了巨大的潛力。然而，通過傳統(tǒng)的凝固途徑，薄片的厚度通常在微米或亞微米的范圍內，這限制了這些薄片可達到的強度。相比之下，納米層狀和納米層狀金屬表現(xiàn)出高強度，但是以低延展性為代價的。這些材料是通過薄膜沉積或劇烈塑性變形制備的，這通常導致具有強塑性各向異性的高度織構化的納米結構，從而限制了它們的實際應用。在這里，我們利用激光粉末床熔融(L-PBF)的極端打印條件和高熵合金的有利組成效應來生產(chǎn)一種獨特類型的遠離平衡的微結構，其形式為嵌入AlCoCrFeNi2.1EHEA中的雙相納米片層，如圖。這種增材制造的EHEA展示了強度和延展性的優(yōu)異組合以及近乎各向同性的機械性能。

圖.增材制造的AlCoCrFeNi2.1 EHEA的微結構。a、印刷散熱風扇、八位晶格(支柱尺寸約300微米)和齒輪(從左至右)。b、AlCoCrFeNi2.1 EHEA的三維重建光學顯微照片。層間邊界、熔池邊界和激光掃描軌跡分別用藍線、橙線和紅箭頭表示。構建方向(BD)是垂直的。c、印刷的AlCoCrFeNi2.1 EHEA的橫截面EBSD IPF圖，顯示了放大的局部區(qū)域，其中相鄰的納米片狀共晶團表現(xiàn)出不同的結晶取向。為了更好地顯示更精細的體心立方納米片層，插圖顯示了雙色EBSD相位圖，面心立方片層為藍色，體心立方片層為紅色。值得注意的是，由于bcc納米片層的厚度很小，接近EBSD的分辨率極限，所以它們是指數(shù)不足的(參見補充圖3雙相納米片層共晶團的形態(tài))。d、納米層狀結構的二次電子顯微照片。e、bcc和fcc納米片晶的明場TEM圖像(分別由紅點和綠點表示)，插圖顯示分別傾斜于區(qū)域軸(B)的bcc和fcc的PED圖案。f、AlCoCrFeNi2.1 EHEA中bcc(左)和fcc(右)片層的片層厚度分布。g、HAADF-STEM圖像顯示了體心立方片層內的調制納米結構。h、100×78×5 nm3截面中元素分布的APT圖，中心為fcc/bcc界面。納米尺度的富Ni–Al和富Co–Cr–Fe區(qū)域顯示了體心立方片晶內的化學波動。

No.7 Science封面文章：體曝光固化3D打印玻璃微結構（詳細介紹）

2022年4月，一項體積光固化3D打印玻璃微結構新研究登上了《科學》雜志封面，“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”，加州大學伯克利分校研究人員的這種方法速度更快，可以生產(chǎn)出具有更高光學質量、設計靈活和強度更高物體。

研究人員與德國Albert Ludwig University of Freiburg大學的科學家開展合作，在他們三年前開發(fā)的3D打印工藝基礎上實現(xiàn)了新的突破（計算軸向光刻CAL）。以實現(xiàn)更為精細的玻璃構造，他們將這個新系統(tǒng)稱為“micro-CAL”。

CAL工藝與現(xiàn)有的3D打印工藝有著根本性的不同，傳統(tǒng)的方法使用薄層材料構建物體。這種技術可能會耗費大量時間并導致粗糙的表面紋理。然而，CAL可同時對整個對象進行3D 打�。�

研究人員將激光投射到光敏材料中，形成一個三維光催化，然后固化成所需的形狀。CAL工藝沒有層紋，可實現(xiàn)光滑的表面和復雜的幾何形狀。

為了打印玻璃，Taylo和他的研究團隊還開發(fā)了一種特殊的樹脂材料，其中包含玻璃納米顆粒，周圍環(huán)繞著光敏粘合劑液體。然后，研究人員加熱打印出來的物體，去除粘合劑，將顆粒融合在一起，形成一個純玻璃的固體物體。

△3D打印的玻璃結構，與美國便士大小對比示例。圖片來自Joseph Toombs

No.8 《Science》清華團隊實現(xiàn)激光納米3D打印技術新突破 （詳細介紹）

2022年10月，清華大學精密儀器系孫洪波教授、林琳涵副教授課題組提出了一種全新的納米顆粒激光3D打印技術，利用光生高能載流子調控納米顆粒表面化學活性，實現(xiàn)納米粒子間化學鍵合的三維裝配。

研究團隊在世界范圍內首次應用了全新的打印原理并展示了多種不同納米粒子的復雜三維結構和異質結構，在納米粒子器件化領域實現(xiàn)了新的突破。這項技術實現(xiàn)了超越光學衍射極限的高精度激光微納制造，打印點陣列密度超過20000ppi，為超高分辨功能器件的制備提供了新思路。芝加哥大學Dmitri V. Talapin教授對該技術也給予了高度認可和評價。

△光激發(fā)誘導化學鍵合的原理示意圖

該成果發(fā)表在《科學》（Science）期刊上，題為“光激發(fā)誘導化學鍵合實現(xiàn)半導體量子點3D納米打印”（3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding）。

研究團隊提出了光激發(fā)誘導化學鍵合的新原理，實現(xiàn)了納米粒子的激光三維裝配技術，以各種納米粒子作為原料來組裝三維納米器件。以核殼結構的半導體量子點為例，利用激光激發(fā)量子點產(chǎn)生電子-空穴對，通過能級匹配，驅動光生空穴的隧穿和表面遷移，促使量子點表面配體脫附并形成活性化學位點，進而誘導量子點的表面化學成鍵，實現(xiàn)量子點之間的高效組裝。

△量子點3D納米打印結構形貌及熒光圖

No.9 《Science》：3D打印超材料微型機器人，鄭小雨教授團隊（詳細介紹）

2022年6月,《Science》雜志刊登了一篇美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）研究團隊的論文，論文介紹了一種3D打印的超材料微型機器人，可以實現(xiàn)自由的行走、避障甚至跳躍。

此次打印的微型機器人使用超材料，只有硬幣大小，只需要為機器人供電，它就能夠可按照設置的程序自行移動，沒有復雜的傳動系統(tǒng)。

這項項研究的首席研究員、UCLA工程學院助理教授鄭小雨表示：新方法將復雜的運動、多種傳感模式和可編程決策能力緊密集成在一起，類似于生物系統(tǒng)中的神經(jīng)、骨骼和肌腱協(xié)同工作，以執(zhí)行受控運動。

通過3D打印技術制造特定的晶格結構，并將不同的晶格結構組合在一起，就能實現(xiàn)特定的功能。比如論文中使用的壓電超材料是一種復雜的晶格材料，可以根據(jù)電場來改變形狀和移動，也可以基于外界受力而產(chǎn)生電荷。將多個微型機器人單元組合成特定的形狀，在通電之后每個單元的形狀改變，讓機器人實現(xiàn)了移動的效果。通過改變電源的電壓、頻率等參數(shù)，還可以讓微信機器人的運動模式發(fā)生變化。

研究人員在視頻中展示了微型機器人的運動模式，轉向模式，跳躍模式，受到攻擊之后轉向，過S彎以及砂石路面上的行走。

這個3D打印的超材料微型機器人的尺寸僅有一枚硬幣大小，大大簡化了常規(guī)的運動系統(tǒng)，未來可能會有廣泛的應用價值。比如在生物醫(yī)療領域，制作微型體內“游泳機器人”，也可以用于宏觀尺寸的危險環(huán)境探索等。

No. 10  《Science》：飛秒雙光子激光納米3D打印新突破 （詳細介紹）

2022年12月，來自香港中文大學SHIH-CHI CHEN教授（陳教授）、卡內基梅隆大學 YONGXIN ZHAO教授（趙教授）進行了合作，提出了一種利用包括金屬、金屬合金、二維材料、氧化物、金剛石、上轉換材料、半導體、聚合物、生物材料、分子晶體和油墨的材料庫來制造任意3D納米結構的策略。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在了《Science》上，題目為《Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly》（《通過超快激光圖案和動力學調節(jié)的材料組裝進行三維納米制造》）。

●納米制造的設置、過程和結果

傳統(tǒng)的 3D 納米級打印機聚焦激光點以連續(xù)處理材料并需要很長時間才能完成設計，而 Chen 的發(fā)明改變了激光脈沖的寬度以形成圖案化的光片，從而使整個圖像包含數(shù)十萬個像素（體素）在不影響軸向分辨率的情況下立即打印。這種制造技術被稱為飛秒項目雙光子光刻或 FP-TPL。該方法比以前的納米打印技術快 1,000 倍，并可以制造具有成本效益的大規(guī)模納米打印用于生物技術、光子學或納米設備。

No.11 《Science》：浙大邱建榮團隊超快激光3D直寫制造實現(xiàn)突破�。�詳細介紹）

2022年3月，國際頂級期刊《科學》發(fā)表論文Three-dimensional direct lithography of stable perovskite nanocrystals in glass。該論文主要由浙江大學邱建榮教授團隊與之江實驗室光電智能計算研究中心研究專家譚德志團隊合作完成，邱建榮和譚德志博士為論文共同第一作者、共同通訊作者。 丹麥奧爾堡大學岳遠征院士團隊、上海理工大學顧敏院士團隊和南方科技大學劉召軍教授團隊等也給予了諸多指導和大力支持。

近年來，鈣鈦礦成為光學領域的“新貴”，這種納米級別的半導體材料，由于其特殊的發(fā)光性能，在顯示及照明等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。具有不同組成元素的鈣鈦礦納米晶具有不同的半導體帶隙寬度，在紫外光或者藍光照射下可以發(fā)出不同顏色的光。研究團隊通過精心設計及一系列實驗發(fā)現(xiàn)，超快激光3D直寫技術可以在無色透明玻璃內實現(xiàn)帶隙可控、任意形狀的三維半導體納米結構�！袄�用激光直接改變納米晶的發(fā)光顏色，實現(xiàn)從藍光到紅光連續(xù)可調，是我們在該領域的重大突破之一。在這之前，在材料內部寫入發(fā)光連續(xù)可調的微納結構幾乎是超乎想象的�！弊T德志表示。

為了獲得理想的超快激光直寫工藝，團隊成功燒制出了均勻透明的前驅體玻璃，使得三維半導體納米晶結構得以實現(xiàn)。譚德志進一步解釋說「傳統(tǒng)的納米晶及其器件制備工藝復雜，對制備環(huán)境要求高，成本高，且只能構筑二維結構。我們的技術是在玻璃中直寫，可以寫出任意想要的形狀，實現(xiàn)納米晶的三維構造�！�

該項研究的另一突破就是利用超快激光在玻璃內3D直寫形成的鈣鈦礦納米晶表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性�！糕}鈦礦存在穩(wěn)定性差的缺陷，光照、熱處理、氧氣、水蒸氣等，都會使其從光電性能良好的鈣鈦礦結構轉化為非鈣鈦礦結構，所以必須經(jīng)過嚴苛的封裝處理。而我們的技術是直接在玻璃內激光直寫就可以，無需封裝�！棺T德志說。為了檢測納米晶的穩(wěn)定性，研究團隊將制備后的材料放在強光下照射、在高溫火爐內炙烤、在酒精中浸泡，甚至將玻璃碾碎成玻璃渣，在上述極端條件下，通過激光直寫的鈣鈦礦納米晶的發(fā)光特性依然穩(wěn)定。這些穩(wěn)定性實驗充分表明該類器件可以在比較惡劣的條件下長期使用，這將大大延長相關顯示及照明設備的使用壽命�！蔽覀兊募夹g可以減少納米晶及其光電器件的制備工序，且所有過程不涉及到任何有機物，大大降低成本，同時提高了材料與器件的穩(wěn)定性。我們的研究表明納米晶玻璃在高密度數(shù)據(jù)存儲、micro-LED、3D顯示、全息顯示等多個領域都將大有可為。我們的工作為超快激光極端制造以及玻璃等多個領域開辟了新的應用場景�！白T德志說道。

總結

以上就是南極熊整理的2022年發(fā)表在《Nature》和《Science》上的11篇3D打印論文，供科研界的朋友查閱。

南極熊3D打印科研板塊 http://www.lhkhtyz.com/forum-231-1.html