激光震动压印实现超颖材料纳米级3D打印

【编者按】这是一种全新的“增材制造”，该技术能够制造具有统一纳米图案的超颖材料，并可以在其表面形成各种功能、结构、元素，从实现对光前所未有的控制。

“增材制造”其中最为引人注目的可能是它要使用高达1或2吉帕斯卡（1吉帕斯卡=1百万帕）的压力。这就是“激光震动压印（laser shock imprinting）”技术，这种技术能够在室温条件下创建小至10纳米的3D晶体金属结构，而且其表面十分光滑。

这种方法能够在一个金属片上用纳米级的3D结构组成大面积的图案，并可能导致创新性的低成本规模制造方式的出现，比如“电浆子超颖材料（plasmonic metamaterials）”在先进技术领域的使用。所谓电浆子超颖材料是一种可定制的复合材料（一种将金属和介电材料结合在一起的设计，以实现自然界中不存在的光学特性），由于这种复合材料的独特结构，能够实现很多匪夷所思的功能，比如通过控制光线穿过材料内部的路径以实现真正的隐身等。

近日发表的一篇论文——《超级光滑3D晶体金属结构的大尺度纳米成型（Large Scale Nanoshaping of Ultrasmooth 3D Crystalline Metallic Structures）》详细介绍了这种技术，该论文称这种技术可以实现更薄的金属层以纳米级的精度成型。这篇论文的作者是Huang Gao、Yaowu Hu、Yi Xuan、Ji Li、Yingling Yang、Ramses V. Martinez、Chunyu Li、Jian Luo、Minghao Qi和 Gary J. Cheng。他们分别是普渡大学的博士生和教授、哈佛大学和马德里高级研究所的研究员、以及加州大学圣地亚哥分校的教授。

该技术能够制造具有统一纳米图案的超颖材料，并可以在其表面形成各种功能、结构、元素，从实现对光前所未有的控制。研究人员说，这项技术可能会导致更多的创新技术，如高速电子、先进传感器和太阳能电池等。这种技术可以创造出独特的金属结晶形式，从而使材料具备“理想的机械和光学性能。”

研究人员已经使用这种技术用钛、铝、铜、金、银等金属做材料生成了各种纳米形状，比如纳米金字塔、齿轮、短板、槽和渔网等，这些形状的大小只有人的头发宽度的几千分之一。 这种“震动诱导成型”技术能够非常精确地定义角度和垂直面。

“这些纳米形状也有非常光滑的表面，这非常有利于开发潜在的商业应用。传统上，要将一个晶体材料变形成为一个比起始材料粒径小很多的纳米模具（nanomold）非常困难。这是因为当颗粒降到非常小的尺度时，尺寸效应使得材料的强度非常高。”普渡大学教授Gary J. Cheng说。“让金属流入高保真3D成型的纳米模具非常具有挑战性。”

Cheng补充说，他们的研究还将金属与石墨烯结合，形成了混合结构，而这些混合材料提高了电浆子效果，形成了“超材料完美吸收体（Metamaterial Prfect Absorbers），”或MPAs。

该技术主要使用脉冲激光，产生“高应变速率”压印金属进入纳米模具。

“我们一开始使用金属薄膜，这样我们可以将其大面积变形成为3D纳米形状。更有趣的是，压印之后所产生的3D纳米结构仍然是晶体，它提供了良好的电磁和光学特性。”Cheng说。

该项目由美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、美国国防部威胁防御局、美国海军研究办公室和美国国家研究理事会支持。

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