超越光学限制的自由空间纳米打印可创建4D功能结构

双光子聚合是基于飞秒激光方法集成纳米材料的纳米制造的潜在方法。3D纳米打印领域面临的挑战包括逐层打印速度缓慢以及激光与物质相互作用导致的材料选择有限。

在《科学进展》上的一份新报告中，ChenqiYi和中国武汉大学和美国普渡大学技术科学、医学和工业工程领域的科学家团队展示了一种新的3D纳米打印方法，称为自由空间纳米打印，该方法使用光学力刷。

这一概念使他们能够开发出超越光学限制的精确空间书写路径，以形成4D功能结构。该方法促进了自由基的快速聚集和固化，从而促进聚合，同时提高了对激光能量的敏感性，从而提供高精度、自由空间的绘画，就像纸上的中国水墨画一样。

利用该方法，他们提高了打印速度，成功打印了各种源自4D纳米结构的仿生肌肉模型，这些模型具有可调节的机械性能，可响应电信号，具有优异的生物相容性。

器件工程

纳米器件和纳米结构可以以高分辨率和速度进行设计，以形成下一代产品。半导体行业可以使用光刻、沉积和蚀刻从各种材料创建3D结构，尽管高昂的加工成本和有限的材料选择可能会影响功能材料3D结构的灵活制造。

材料科学家使用基于双光子聚合的飞秒激光直写技术，利用微米/纳米聚合物形成光子准晶体、超材料和纳米结构，从而创建复杂的3D纳米结构。

然而，这种方法仍然受到打印速度慢、阶梯状表面纹理和有限的光固化材料的限制。在这项工作中，Yi等人。研究了自由空间激光写入，以分析它如何产生光化学力来完成基于光力刷的纳米绘画。

使用飞秒激光进行自由空间绘画

当时间尺度达到飞秒时，分子可以吸收光子并激发到具有排斥势能表面的电子更高状态，从而产生自由基。

科学家可以利用多光子吸收机制来吸收分子中的超短脉冲光子能量，并激活电子在基态和激发态之间的跃迁。Yi和同事用飞秒激光照射活性自由基，利用光学力使其快速聚集并合成为大分子，无需后处理即可快速完成固化，同时最大限度地减少溶剂分子的热运动。

研究人员开发了一种基于水凝胶的墨水，作为飞秒激光写入时通过双光子吸收激活的光开关，其中凝胶中的自由基吸收来自飞秒激光的光子能量。当自由基在分子中形成结合能时，研究小组将长链分子连接到不同的官能团以实现各种应用。

可打印水凝胶墨水为自由空间可打印纳米结构在生物医学中的多种应用提供了高度生物相容性、弹性和柔性的条件。

作用机制

激光束在溶液中自由移动，就像一支笔在太空中一样，涉及三个步骤：自由基的激活、聚集和固化。科学家们用多物理场模型分别培养了两个光子聚合和光力刷的聚合速率。

该方法通过逐层、逐行打印方法大大提高了写入结构的效率，其中层数与厚度分辨率直接相关。该方法还大大提高了3D纳米结构的写入效率和准确性。他们改进了实验结果，以表明施加到自由基上的光学力如何与脉冲数量、激光场强度及其吸收系数直接相关。

当飞秒激光照射材料时，光子的动能与活性自由基交换，通过光力移动，最终形成清晰、高分辨率的3D纳米打印。该团队通过多物理场模拟的数值模拟研究了这些过程背后的基本机制，以检查自由基的运动和复合过程。

设计嵌套的肌肉系统

这种方法使Yi和同事能够打印由多层嵌套的纤维和纤维束组成的肌肉、腹部和肌腱组织，而这些组织很难通过传统3D打印方法进行打印。该团队打印了肌肉的内部和外部形状，同时使用功能性水凝胶墨水通过电刺激激活其运动。这导致了同时实现结构和功能仿生纳米打印的初始实例。

科学家们展示了通过光力刷和逐层打印的方法打印出的大鼠腿筋肌腱和腹部的结构。这些方法显示了在3D空间中打印多层结构的潜力，同时肌肉纤维厚度由薄变厚以赋予各种功能。

研究人员展示了将微米和纳米结构完全植入生物体中以实现这种规模的功能和结构生物结构的可能性。这种通过光学力刷技术的自由空间打印方法为在生物学中应用多功能微米和纳米结构提供了可能性。

外表

通过这种方式，ChenqiYi及其同事使用光学力刷作为集成飞秒激光画笔的方法，以真正的3D自由度打印功能结构。光力刷具有独特的功能，其底层采用光力纳米绘画工艺，可实现超高固化速率、低固化阈值和对激光的高灵敏度，从而精确调节打印过程。灵敏度使他们能够准确地调节和创建具有精细细节的复杂结构。

这带来了真正的3D打印自由度，可实现连续打印和不同平面之间的无缝过渡。这项工作进一步探讨了光力刷使用过程中自由空间纳米打印的光力机制。这包括飞秒激光与水凝胶油墨光开关中自由基的相互作用;还通过数值模拟探索了一种机制。

该研究强调了光学力刷开发仿生功能结构的能力，并为具有突破性特性的组织工程和再生医学的进一步研究铺平了道路。

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