清華新聞網(wǎng)9月29日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系張昊副教授、李景虹院士和精儀系孫洪波教授、林琳涵副教授研究團(tuán)隊(duì)在無機(jī)材料的3D打印化學(xué)與技術(shù)方面取得了新突破。該研究基于納米晶體表面配體的非特異性光化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)和溶液中輸運(yùn)過程，實(shí)現(xiàn)了普適于無機(jī)功能材料的納米級精度直接3D打印。
3D打印已成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)并深入地影響了我們的生活。借助3D打印將各類不同的功能材料與豐富的3D結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以為構(gòu)建微納功能材料、光電集成器件、生物芯片等提供新的手段。但是，目前可用于3D打印的材料一般限于聚合物和部分金屬材料，處于電子和信息產(chǎn)業(yè)核心，具有優(yōu)越光、電、磁等性能的半導(dǎo)體等無機(jī)材料的直接3D打印則難于實(shí)現(xiàn)。其化學(xué)本質(zhì)在于，3D打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來源于打印材料中原子或分子間的化學(xué)鍵。無機(jī)材料如半導(dǎo)體或金屬氧化物等難以在3D打印條件下成鍵，因此往往需要聚合物等作為模板，如此打印得到的混合物中無機(jī)物純度低，無法保持原有的材料特性。
3D Pin打印原理、材料多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與手性光學(xué)性質(zhì)
針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了無需聚合物模板的無機(jī)材料納米級精度3D打印新方法（簡稱為3D Pin）。該方法以膠體納米晶體溶液為相應(yīng)無機(jī)材料的原料“墨水”，設(shè)計了基于光生氮賓自由基的小分子交聯(lián)劑，利用飛秒激光引發(fā)納米晶體表面配體的光交聯(lián)反應(yīng)使納米晶體間形成穩(wěn)定的共價鍵連接，實(shí)現(xiàn)了普適性、高純度（無機(jī)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%）、高精度（突破光學(xué)衍射極限，分辨率可達(dá)150納米）的無機(jī)材料3D打印。該方法將膠體納米化學(xué)設(shè)計與飛秒激光制造技術(shù)相結(jié)合，具有以下優(yōu)勢。膠體納米晶體的組分多樣性和氮賓與配體分子間的非特異性C?H插入反應(yīng)使得該方法可以普遍適用于半導(dǎo)體（如II?VI、III?V和金屬鹵化物鈣鈦礦等）、金屬（如金）和半導(dǎo)體氧化物（如氧化銦、氧化鈦等），并可實(shí)現(xiàn)多種不同材料的混合和異質(zhì)結(jié)構(gòu)打印；非線性光激發(fā)具有的高時空分辨特征使得打印溶液中納米晶體間的成鍵和擴(kuò)散過程高度限域，實(shí)現(xiàn)了納米級精度、復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的精密構(gòu)筑；納米晶體所具有的尺寸和結(jié)構(gòu)可調(diào)性及尺寸依賴的物理性質(zhì)等使得所打印的3D結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出獨(dú)特的多級結(jié)構(gòu)、高機(jī)械性能和優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。所打印的II?VI族半導(dǎo)體手性螺旋結(jié)構(gòu)在寬光譜范圍內(nèi)展示出顯著的手性光吸收特性，其不對稱因子相比以往研究工作中利用自組裝方法得到的半導(dǎo)體螺旋結(jié)構(gòu)提升約20倍。該研究工作開發(fā)了無機(jī)材料的新的3D打印化學(xué)方法，為拓寬3D打印材料庫并構(gòu)建基于無機(jī)材料的3D結(jié)構(gòu)與器件提供了新思路。
9月29日，該研究以“基于膠體納米晶體間光化學(xué)鍵合的無機(jī)納米材料3D打印”(3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals)為題發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上。
清華大學(xué)化學(xué)系博士后李馥、清華大學(xué)精密儀器系2019級博士生劉少峰、清華大學(xué)化學(xué)系2021級博士生劉王宇為論文共同第一作者。清華大學(xué)化學(xué)系李景虹教授、張昊副教授，清華大學(xué)精密儀器系孫洪波教授、林琳涵副教授為論文共同通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授、清華大學(xué)材料學(xué)院李正操教授等合作者為工作作出了重要貢獻(xiàn)。
該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、清華大學(xué)自主科研計劃和清華大學(xué)篤實(shí)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg6681
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計：梁晨
編輯：肖零
審核：郭玲
