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  增材制造技術為快速構建任意復雜3D結構，實現加工過程的低碳環保提供了可能。其中，雙光子聚合光刻 (Two-photon Polymerization Lithography, TPL) 是制備微納結構最有前景的技術之一，具有巨大的應用潛力，然而，TPL的打印分辨率受到材料的結構剛性、光學衍射極限以及曝光鄰近效應的限制，直接打印高精度亞波長結構相對困難。雖然受激發射耗盡直接激光寫入技術和擴散輔助高分辨率 TPL 方法已被采用來提高分辨率，但是這些方法需要復雜的機械與光學系統和定制的光刻膠。熱解收縮可以幫助我們直接獲得高分辨率和高精度的納米級結構，并增強結構的機械性能，已廣泛應用于力學超材料等的研究和應用中。

  然而在熱解收縮過程中，由于結構底層和襯底之間的粘附力，結構底部很容易因收縮而變形。對實際應用而言，結構變形會導致機械和光學性能不均勻，進而使器件的表現偏離初始設計。雖然通過借助可犧牲支撐結構，如彈簧、腳手架和基座等來支撐主要結構并部分規避這個問題，或者通過增加設計結構的高度以在頂部獲得相對均勻的結構，代價是犧牲扭曲的基底并增加打印時間，而且很多結構可能無法實現設計所需的功能。到目前為止，尚無合適的方法來實現整個 3D 打印結構的均勻收縮。

  近日，針對這一挑戰，新加坡科技設計大學（Singapore University of Technology and Design, SUTD）Joel K.W. Yang 教授團隊開發了一種基于取放工藝的3D打印微納結構均勻收縮技術（圖1）。在這項研究中，作者使用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）為功能層來實現 3D 打印結構的轉移。 PVA 是一種水溶性聚合物，其在使用有機溶劑后處理3D打印結構的過程中不受影響，但它很容易溶解在水中，因此 3D 結構可以很容易地從原始襯底上分離，并被轉移到接收襯底上，從而以減小結構基底和接收襯底之間的相互作用力。隨后，接收襯底上的 3D 結構被加熱并收縮，進而獲得原始形狀的均勻收縮版本。作者制備了具有各種微米和納米級特征的3D結構，并在光學和電子顯微鏡下觀察到了均勻收縮，證明該工藝的可行性（圖2）。作者還測量了所制備結構的表面粗糙度、表面自由能和粘附力，對比了不同襯底下的熱解收縮過程以闡釋其中的均勻收縮機制（圖3）。最后，該團隊采用這項技術實現了光子晶體組成的彩色且不失真的復雜 3D 吉祥物模型（圖4）。由于該技術可以輕松控制任何形狀、尺寸、位置的3D結構的均勻收縮，因而可以擴展至全彩和任意復雜設計，并應用于光學和光子學中其他需要均勻 3D 微納結構的研究領域，同時為進一步實現 3D 打印光學元件與其他器件的集成提供了新的解決方案。作者預計在未來的研究中，該技術方案可以進一步簡化， 例如，3D微觀物體的熱解收縮可以在高耐熱溶液材料（例如鏻離子液體）中預先進行，從而避免接收襯底的影響。此外，直接加熱而無需轉移過程的均勻收縮也值得深入探究。該技術及相關衍生技術也適用于其他增材制造工藝，并有助于為多尺度多材料復合結構的加工開辟新的路徑。

圖4. 具有納米尺度特征的復雜3D光子晶體的均勻熱解收縮。

  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41535-9

  下載：Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials