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隊在無機材料的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)和溶液中輸運過程，實現(xiàn)了普適于無機功能材料的納米級精度直接3D打印。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。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg6681

3D打印已成為一項革命性的技術(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)體等無機材料的直接3D打印則難于實現(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，研究團隊開發(fā)了無需聚合物模板的無機材料納米級精度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，實現(xiàn)了普適性、高純度（無機組分質(zhì)量分數(shù)大于90%）、高精度（突破光學(xué)衍射極限，分辨率可達150納米）的無機材料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），并可實現(xiàn)多種不同材料的混合和異質(zhì)結(jié)構(gòu)打??；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散過程高度限域，實現(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)出獨特的多級結(jié)構(gòu)、高機械性能和優(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)建基于無機材料的3D結(jié)構(gòu)與器件提供了新思路。

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。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、清華大學(xué)自主科研計劃和清華大學(xué)篤實計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃等項目的資助。

本文來自：清華大學(xué)。

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隊在無機材料的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)和溶液中輸運過程，實現(xiàn)了普適于無機功能材料的納米級精度直接3D打印。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。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg6681

3D打印已成為一項革命性的技術(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)體等無機材料的直接3D打印則難于實現(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，研究團隊開發(fā)了無需聚合物模板的無機材料納米級精度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，實現(xiàn)了普適性、高純度（無機組分質(zhì)量分數(shù)大于90%）、高精度（突破光學(xué)衍射極限，分辨率可達150納米）的無機材料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），并可實現(xiàn)多種不同材料的混合和異質(zhì)結(jié)構(gòu)打??；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散過程高度限域，實現(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)出獨特的多級結(jié)構(gòu)、高機械性能和優(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)建基于無機材料的3D結(jié)構(gòu)與器件提供了新思路。

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。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、清華大學(xué)自主科研計劃和清華大學(xué)篤實計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃等項目的資助。

本文來自：清華大學(xué)。