The Innovation | 先华而后实：纳米粒子图案化新策略
导 读
纳米组装体由于其独特的物理化学性质而在传感、电子、催化等领域有广泛应用。然而，如何将纳米组装体集成到功能器件上仍然是一个挑战。打印技术不仅能够将纳米组装体实现精细的图案化和精准的定位，而且本身具备快速成型、高通量制备等特点，因而将纳米组装与打印技术相结合，有望实现纳米粒子图案化集成器件的可控制备。天津理工大学王铁团队总结了自组装和打印技术相结合方法的基本特点和最新研究进展，并讨论了打印组装图案化在各领域中的应用。
图1 图文摘要
纳米组装可与2D、3D和4D打印技术相结合，很好地突破了成本高、按需制备的瓶颈，从而实现图案化器件的定制。本文逐一介绍了基于2D、3D和4D打印组装形成大面积纳米粒子图案的制造方法及最新进展。
目前，通过2D打印组装技术已经实现了纳米粒子在各种基底上按需打印的要求。2D打印方式分为喷墨打印和模板打印两种。喷墨打印是一种非接触、高分辨率、无掩模的打印技术。模板打印组件主要是通过丝网印刷、纳米压印、微接触打印和蒸发平版打印实现（图2）。
图2 2D打印组装方法
3D打印是一种新型的增材制造技术，其过程通常涉及数据采集、设计、建模、切片、打印等步骤。在用于3D打印的材料中，纳米粒子的组装排列会极大地改善结构性能，因此，纳米粒子（如纳米线、石墨烯和量子点）是最有研究和应用潜力的材料之一。光、电场和磁场是调节纳米粒子状态的主要驱动力。此外，具有不同形态的纳米粒子被设计和制备出来，如零维的量子点、一维的纳米片等，用于提高3D打印分辨率和打印速度。3D打印组装方法主要分为三类：还原聚合立体光刻、挤出打印沉积成型和粉末床融合。
图3 3D打印组装方法
与传统打印技术相比，4D打印技术允许结构在热、光、电、磁、机械等外部刺激驱动下改变其形状或性质。因而，通常4D打印的智能材料具有自感知、自驱动和自修复的特性。4D打印技术简化了概念、设计到制备的过程，实现了产品设计、制造、组装的一体化。4D打印技术与纳米组装相结合可以为构建智能响应性微结构提供一种高效的方法。
目前，打印组装技术已被广泛用于功能器件的构建。其中纳米粒子在光学传感器、信号放大器、导电层、电极等这些元件中发挥着各种不同的重要作用。图4总结了基于打印组装的图案化结构在纳米传感、能量存储器件和光电探测器中的应用。
图4 打印组装技术在纳米传感中的应用
总结与展望
本文介绍了基于打印和纳米组装技术相结合的纳米图案化研究进展。尽管各种打印组装技术都有自身的优点，但也没有任何一种技术是图案化制备中的“万能药”。2D打印组装技术适用于制备简单的平面图案。3D打印组装技术可构建具有局部差异化功能的复杂器件。4D打印组装技术可以满足驱动装置的技术要求。不同性能的纳米粒子将为纳米图案化器件带来更多的新功能，也使得纳米图案逐步拓展到具有复杂理化性质和拓扑性质的应用。
目前由于打印组装技术的复杂性使其应用仅限于实验室水平，然而，随着技术的进步，低成本、高精度、高性能的纳米组装技术将最终应用于工业生产。
责任编辑
侯鸿浩 南方医科大学
丁建勋 中国科学院长春应用化学研究所
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00049-2
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第四期以Review发表的“Combining printing and nanoparticle assembly: Methodology and application of nanoparticle patterning” (投稿: 2022-01-20；接收: 2022-04-09；在线刊出: 2022-04-27)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100253
引用格式：Zhao W., Yan Y., Chen X., et al. (2022). Combining printing and nanoparticle assembly: Methodology and application of nanoparticle patterning. The Innovation. 3(4),100253.
作者简介
王 铁，天津理工大学研究员，校长助理。国家杰出青年科学基金获得者。长期致力于疾病体外分析检测的基础研究及其临床应用。发表学术论文100余篇，申请专利20余项。
https://life.tjut.edu.cn/info/1099/1092.htm
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球46个国家/地区；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被95个国家/地区作者引用。目前有191位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，32位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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