戴頓大學物理學和電光學研究人員Md Shah Alam、Qiwen Zhan和Chenglong Zhao創造了一種成本較低的納米級（比人的頭發小一千倍）的3D打印方法，可以製造納米結構並消除錯誤。納米技術頂級期刊《Nano Letters》發表了他們(men) 的研究成果。

論文的Graphic Abstract

3D打印/增材製造通過逐層添加材料來形成結構，由於(yu) 其在能源、電池、結構電子、光電、超材料、機器人技術、微流體(ti) 、醫療保健等各個(ge) 領域的廣泛應用，已引起越來越多的關(guan) 注 以及藥物運送。由於(yu) 激光具有出色的指向性，可將能量有效地傳(chuan) 遞到目標材料，因此已廣泛用於(yu) 3D打印中宏觀和微觀結構的快速原型製作。例如，可以通過高功率激光束選擇性地熔化或燒結微細金屬顆粒，以形成複雜的3D金屬零件。然而，直接縮小現有的用於(yu) 納米級打印或納米打印的宏觀和微觀3D打印技術的規模是具有挑戰性的。納米粒子非常適合用作液體(ti) 或氣體(ti) 環境中進行納米印刷的原料，因為(wei) 它們(men) 具有獨特的物理和化學性質，可以大批量且低成本生產(chan) 定製設計產(chan) 品。納米粒子一旦彼此接觸，便可以通過靜電力或範德華力彼此附著。因此，可以通過精確地操縱和組裝各個(ge) 納米顆粒以形成最終結構，來實現納米級的3D納米打印。

現有技術限製

模板輔助方法（例如選擇性表麵圖案化和毛細管組裝）已用於(yu) 納米粒子的2D圖案化，但經過需要多個(ge) 步驟操作完成。基於(yu) 光學力的光學印刷已經能夠將單個(ge) 膠體(ti) 納米粒子固定在基底上，但是印刷精度從(cong) 根本上受到納米粒子在液體(ti) 環境中的布朗運動的限製，並且由於(yu) 熱泳力也受到2D製造的限製。激光誘導的向前/後轉移（LIFT / LIBT）技術可用於(yu) 在氣態環境中打印2D和3D結構，但是必須使用脈衝(chong) 激光。電流體(ti) 動力印刷技術具有使用納米顆粒溶液作為(wei) 墨水來印刷3D納米結構的能力，但缺乏單獨的納米顆粒控製的能力，並且需要導電表麵才能使用。

本文研究人員展示了一種光熱機械納米印刷(OTM納米印刷)技術，該技術有可能克服納米級3D打印的上述局限性。OTM納米粒子具有以下獨特的特征:(1)電介質和金屬納米粒子都可以印刷到任何類型的基底上；(2)打印錯誤可以糾正；(3)用連續波激光代替脈衝(chong) 激光；以及(4)納米印刷和納米分離都在空氣中進行，這可以避免液體(ti) 環境中的潛在汙染。

圖1. 光電熱機械納米打印(OTM納米印刷)的機理和納米3D打印展示

金納米粒子溶液首先被稀釋，然後在玻璃蓋玻片上由一層柔軟、薄的聚二甲基矽氧烷(PDMS)組成的供體(ti) 基質上進行滴鑄和自然幹燥。技術

OTM納米印刷涉及基本的光-物質相互作用，以及基底的熱力學行為(wei) 、粒子-表麵相互作用和粒子動力學。高分子材料(在該文實驗中是PDMS)具有很高的柔性和彈性，並且具有較大的線性熱膨脹係數(3.2 × 10–4 °C–1對於(yu) PDMS)，當暴露於(yu) 由於(yu) AuNPs的激光加熱引起的突然溫度變化時，其可以在其表麵附近提供顯著的熱膨脹力。在空氣中幹燥後，金屬納米粒子（在本文實驗中為(wei) AuNP）通過範德華力（Fv）附著在施主襯底的表麵（在本實驗中為(wei) PDMS）（如圖2a所示）。當AuNP被聚焦激光束照射時，它吸收激光能量並加熱其下的施主襯底，這導致施主襯底的快速熱膨脹。襯底的熱膨脹速率取決(jue) 於(yu) 襯底材料的熱膨脹係數和所施加的激光強度。在表麵變形的早期階段，納米粒子與(yu) 膨脹的基底一起移動（如圖2b所示）。在達到穩態溫度之前，納米粒子的速度隨著基底的膨脹率的增加而繼續上升。最終，襯底的熱膨脹速率以及AuNP的速度達到它們(men) 的峰值。因此，在存在光學力的情況下，AuNP從(cong) 襯底釋放並向上移動。

圖2. OTM-NP過程示意圖。

OTM-NP的解吸過程還可用於(yu) 校正納米修複的印刷錯誤，如圖3c-e所示。字母“ N”首先通過在預熱的情況下在ITO塗層的玻璃基板上3D打印十四個(ge) 200 nm AuNPs來印刷（如圖3c所示）。為(wei) 了修複圖案“ N”，從(cong) 字母中有選擇地移除了三個(ge) AuNP（用紅色圓圈標記）（如圖3d所示）。然後，將兩(liang) 個(ge) 新的AuNP（藍色圓圈標記）添加到字母“ N”以修複結構，如圖3e所示。圖3f顯示了由200 nm AuNP組成的單詞“ NANO”的光學圖像，該圖像通過使用OTM-NP和納米修複技術進行印刷和校正。

圖3. 3D納米印刷和納米修複

研究人員已經成功證明了經濟適用的OTM-NP方法，該方法可實現亞(ya) 納米級以下的3D納米印刷和納米修複。因此，該技術可以潛在地用於(yu) 製造2D和3D電子和光學設備，例如超表麵甚至3D超材料。最後，它有可能被用作納米修複工具來糾正不可避免的且難以糾正的打印錯誤。這為(wei) 工程師們(men) 提供了一種負擔得起的製造工具，用於(yu) 製造納米結構和設備，這對於(yu) 納米技術所實現的應用變得越來越重要。並且這項技術可以讓用戶糾正打印過程中出現的錯誤，誤差修正對於(yu) 降低製造成本，提高生產(chan) 線的成功率是極其重要。