打印速度提升1000倍，打破世界纪录！黄金搭档一波四折终发Science
据《Science》报道，在纳米科技领域，多材料的3D纳米制造一直是人们研究的重要内容。大多数3D纳米制造技术依赖于光刻方法来创建具有纳米级分辨率的复杂结构，技术核心是光引发的化学反应（如光聚合和光还原）。尽管此领域的研究内容有很多，但用于纳米制造的材料仍然很有局限性，目前主要集中在聚合物材料或金属材料。在不损害现有结构复杂性、纳米级特征尺寸和材料功能的情况下，为更广泛的材料类别提供制造解决方案仍然是一个关键的挑战。
为了解决上述问题，来自香港中文大学SHIH-CHI CHEN教授（陈教授）、韩飞博士后、谷松韵、和卡内基梅隆大学 YONGXIN ZHAO教授（赵教授）进行了合作，提出了一种利用包括金属、金属合金、二维材料、氧化物、金刚石、上转换材料、半导体、聚合物、生物材料、分子晶体和油墨的材料库来制造任意3D纳米结构的策略。他们的研究成果已经发表在了《Science》上，题目为《Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly》（《通过超快激光图案和动力学调节的材料组装进行三维纳米制造》）。
韩飞是香港中文大学多尺度精密仪器实验室的博士后，他学术上的黄金搭档谷松韵正在这里读博。
在许多人眼里枯燥冗长的实验，他们却能乐此不疲，在无尽的科学探索里感到趣味盎然，并取得令人振奋的成果。
即使在经历波折且痛苦的投稿过程时，他们仍坚持一往无前。为了“征服”审稿人，他们不分昼夜地在实验室忙碌，在历时一年零一个月的四轮修改中补了69页、近28000字的回复和实验内容。
2022年12月23日，他们作为共同第一作者的研究论文发表在Science上。这是两人学术生涯里的首篇Science，也是谷松韵以一作身份发表的首篇学术论文。香港中文大学教授陈世祈和美国卡内基梅隆大学副教授招泳欣为论文共同通讯作者。
韩飞（左）和谷松韵
这项研究始于“一面之缘”，仿佛一切都是命运的安排。
2019年，陈世祈作为受邀演讲者访问卡内基梅隆大学，与招泳欣进行了一次影响深远的对话，那也是两人唯一的一次见面。在那之前，招泳欣看到了陈世祈团队刚刚发在Science上的一项重大成果——飞秒镭射投影双光子聚合光刻（FP-TPL）3D打印技术，备受震撼。
纳米技术的一个主要挑战是用所需的材料制造复杂的三维（3D）结构。我们提出了一种使用材料库制造任意3D纳米结构的策略，包括金属，金属合金，2D材料，氧化物，金刚石，上转换材料，半导体，聚合物，生物材料，分子晶体和油墨。具体来说，由飞秒光片图案的水凝胶用作模板，允许直接组装材料以形成设计的纳米结构。通过微调图案化凝胶的曝光策略和特征，可以实现2至3nm分辨率的20D和200D结构。我们制造了纳米器件，包括加密的光学存储和微电极，以展示其设计的功能和精度。这些结果表明，我们的方法为不同类别材料的纳米制造提供了系统的解决方案，并为复杂纳米器件的设计开辟了更多的可能性。
“这是一种可以在纳米尺度上用投影方式进行打印的3D打印技术，打印速度提升1000倍，打破世界纪录，可节省98%的打印成本。”陈世祈采访时介绍。
陈世祈
招泳欣
想象一下，一个干瘪的气球上面刻满了很复杂的图案，用肉眼很难看清，但当你把气球吹大后，图案便清晰可见。而研究团队的做法则是反其道行之。他们从麻省理工学院2018年在Science上发的一篇论文里获得了灵感，认为用收缩水凝胶来得到超高分辨率纳米结构的想法很好。
韩飞从纳米化学的角度出发，提出这可能是一种新的自组装现象，可以采用纳米化学的知识设计一些动力学手段对其进行精密调控，从而实现从分子或纳米颗粒出发，利用自组装直接构建任意目标材料的任意3D纳米结构的目的。
他们最终确定由纳米颗粒大小产生的空间位阻、和材料亲水性影响的氢键这两种动力学因素的结合可对这种自组装过程实现纳米级精度的控制。由于颗粒直径是所有纳米材料都具备的内在性质，并且所有可分散于水中的材料都具有亲水性，这种设计思路实现了在所有3D微纳加工体系中最好的普适性。
在确定思路后，韩飞和谷松韵一起摸索了很多细节。包括收缩的条件，比如在有机溶液、盐溶液、或是酸里收缩；还有沉积的条件，将水凝胶浸泡在含有金属、合金、钻石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水等纳米颗粒的液体中，再通过配体调控等手段进一步微调和优化自组装过程。
“这也是纳米合成化学的机理第一次深度应用在3D微纳加工里。”韩飞说。
纳米尺度的十二生肖展示了可打印材料的普适性
他们还打印了一组纳米尺度的十二生肖，每一种动物用不一样的材料。材料普适性是这项研究的一大亮点，团队共试过17种理化性质完全不同的材料，都可以用这一方法打印。
和许多能够投顶级期刊的研究相比，这项课题耗费的时间其实并不算很长。虽然每位团队成员都为之殚精竭虑，但从开始至投稿还不到一年。投稿过程却经历了一波四折。
“我们用了3个月打磨文章，然后陈老师用了半个多月修改。2021年10月，怀揣着满腔的期待，文章投给了Science。一个月后，收到了审稿意见，我看完后有一种两眼一黑的感觉，之前虽然也发表过2篇顶刊，还没有见过这么有攻击性的意见。”韩飞回忆道。
这次一共有3位审稿人，前两位对文章创新性、打印流程设计、打印效果的方方面面攻击了一遍。第3个人肯定了文章的创新性，说研究“非常令人兴奋”，他认为从打印效果而言，这篇文章值得发在Science上，但他提出了30多个需要仔细回答的问题。
文章被拒只是一个开始，接下来是漫长而纠结的“过山车”之旅。
这样的篇幅在Science的论文里都极为少见。据韩飞回忆，“陈老师看到所有的修改材料时，不禁感叹从来没有给审稿人写过这么长的回复。”
待导师改完，文章再次发给编辑。大家苦等了两周多，终于收到了好消息——编辑开了重投的通道。
文章再次投出，祸福难料。一个半月后快出结果时，韩飞和谷松韵每天都在投稿系统刷日期动态，日期每变一次就代表编辑可能在看或者审稿人已返回意见。他们睡前刷一遍，睡醒再刷一遍，这是他们在家生活时的重要组成部分。
韩飞和谷松韵分别在化学实验室和光学实验室做实验
焦点再次回到补实验。彼时，还在家里的两人在看完审稿意见后非常兴奋，立马订了回香港的机票。
为了让审稿人满意，韩飞和谷松韵又将许多实验细节进行完善，回复内容近8000字。这一轮修改提交后，审稿人一再无意见。审稿人二指出补充的内容没有完全说服他，用一页半的篇幅再次提出很多问题。审稿人三更夸张，竟然提了满满三页问题。
“我们也不清楚为什么第三个审稿人的意见如此波折，但他们提了我们就得回答。第三轮，我们又把所有意见事无巨细地回复了一遍，这一次的内容近5000字。没成想，在这一轮之后，审稿人三又提了一页半的意见，这出乎所有人的意料，甚至连编辑都在回信中表示了意外，编辑认为我们的文章已经达到了发表水准。”韩飞说。
在第四轮修改后，2022年11月底，文章被正式接收，所有人都如释重负。谷松韵用一句话来形容：“跟当年高考结束时的感觉一样。”
“能把这些最初犀利批评我们的审稿人都‘征服’，以后无论碰见什么样的审稿人，我们都不会被吓倒了！”韩飞笑着说。
（文中图片皆为受访者供图）
赵教授的生物光子学实验室主要开发研究细胞和组织中的生物和病理过程的新技术，称为膨胀显微镜过程，该实验室致力于推进此技术，以按比例放大嵌入水凝胶中的微观样品，使研究人员能够在不升级显微镜的情况下查看样品细节。
2019 年，赵教授与作为受邀演讲人访问卡内基梅隆大学的来自香港中文大学机械与自动化工程系教授陈世奇进行了一次交流，确定了合作。赵教授说：“Shih-Chi 以发明超快双光子光刻系统而闻名，我们在他访问卡内基梅隆大学期间相遇，并决定结合我们的技术和专业知识来追求科研的进步。”他们认为可以利用综合专业知识为微加工领域的长期挑战找到新的解决方案：开发将可打印纳米设备的尺寸减小到小至几十纳米或几个原子厚的方法。最终，他们的解决方案与膨胀显微镜相反，即在水凝胶中创建材料的 3D 图案并将其缩小以获得纳米级分辨率。他们合作的结果为设计复杂的纳米设备打开了新的大门，并发表在《Science》杂志上。
●纳米制造的设置、过程和结果
传统的 3D 纳米级打印机聚焦激光点以连续处理材料并需要很长时间才能完成设计，而 Chen 的发明改变了激光脉冲的宽度以形成图案化的光片，从而使整个图像包含数十万个像素（体素）在不影响轴向分辨率的情况下立即打印。这种制造技术被称为飞秒项目双光子光刻或 FP-TPL。该方法比以前的纳米打印技术快 1,000 倍，并可以制造具有成本效益的大规模纳米打印用于生物技术、光子学或纳米设备。
在这个过程中，研究人员将引导飞秒双光子激光修改水凝胶的网络结构和孔径，为水分散性材料创建边界。然后将水凝胶浸入含有金属、合金、金刚石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水的纳米颗粒的水中。
赵教授说:“由于偶然的机会，我们尝试的纳米材料都被自动吸引到水凝胶中的打印图案上并组装得很好，随着凝胶收缩和脱水，材料变得更加密集并相互连接。”例如，如果将打印的水凝胶放入银纳米颗粒溶液中，银纳米颗粒会沿着激光打印的图案自组装到凝胶中。随着凝胶变干，它可以收缩到原来大小的 13 倍，使银密度足以形成纳米银线并导电。
●光学衍射元件（DOEs）的制作及其在三维光存储和加密中的应用
在传统的纳米科学中，将材料直接组装成复杂的3D结构需要复杂的化学反应和定制的打印设置。本研究展示了动力学控制在操纵各种材料的组装中的技术应用。原则上，该方法可以很容易地扩展到其他水溶性或分散性材料，而无需进一步的化学设计。通过将该策略应用于其他高通量光学平台或偏振优化，可以进一步扩展其应用范围。，研究人员新制造平台在创造新的功能性和生物相容性微器件、光学超材料和柔性电子产品方面提供了一种颠覆性解决方案，这些产品可能会影响光学、纳米技术和生物技术领域。
本文来自科学网。参考链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420
http://science.sciencemag.org/content/366/6461/105