飛秒激光被用于眼科手術(shù)治療近視，已經(jīng)為人熟知，但它能做得遠(yuǎn)不止于此。飛秒激光直寫(xiě)作為一種有效的三維微納精細(xì)加工技術(shù)，可以在多種透明光學(xué)材料中實(shí)現(xiàn)微小型光子學(xué)器件的制備。

中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心鄭美玲團(tuán)隊(duì)在前期工作積累上，近日在不同期刊連發(fā)兩篇相關(guān)成果，推動(dòng)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)再向前一步。

△飛秒激光直寫(xiě)無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)分布示意圖。

《先進(jìn)材料技術(shù)》：仿生響應(yīng)型水凝膠微致動(dòng)器

在以《飛秒激光微加工pH驅(qū)動(dòng)三維仿捕蠅草水凝膠驅(qū)動(dòng)器/Flytrap Inspired pH-Driven 3D Hydrogel Actuator by Femtosecond Laser Microfabrication》為題發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》的成果中，該團(tuán)隊(duì)合成了刺激響應(yīng)型光刻膠前驅(qū)體，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備了4D刺激響應(yīng)型水凝膠微結(jié)構(gòu)。

水凝膠微致動(dòng)器在顯微操作、微機(jī)器人、微流體、智能傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要。然而，要實(shí)現(xiàn)水凝膠微致動(dòng)器在微納尺度上的精確制備及可控操縱，仍存在巨大挑戰(zhàn)。

作者利用刺激響應(yīng)型光刻膠，通過(guò)優(yōu)化飛秒激光直寫(xiě)參數(shù)及激光加工路徑，獲得了響應(yīng)行為可控的4D水凝膠微結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變激光加工參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)水凝膠微結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的交聯(lián)密度，從而獲得可控的pH響應(yīng)行為，變形時(shí)間短至1.2秒，恢復(fù)時(shí)間為0.3秒。

在此基礎(chǔ)上，受捕蠅草捕獲行為的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)并加工了仿生不對(duì)稱水凝膠微致動(dòng)器，通過(guò)pH觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)和調(diào)節(jié)了其形狀變化，成功地捕獲了單個(gè)或多個(gè)微顆粒，并可控地實(shí)現(xiàn)了微顆粒的同時(shí)釋放或順次釋放。

該成果使智能水凝膠微致動(dòng)器的制備成為可能。

《自然—通訊》：使用近紅外光進(jìn)行3D無(wú)機(jī)材料的光刻微加工

另一篇發(fā)表于《自然—通訊》的文章《多光子三維光刻實(shí)現(xiàn)λ/30無(wú)機(jī)特征尺寸/ λ/30 inorganic features achieved by multi-photon 3D lithography》，闡述了該團(tuán)隊(duì)與合作伙伴在飛秒激光超衍射納米光刻技術(shù)制備3D無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)研究方面取得的進(jìn)展。

△通過(guò)飛秒激光直接寫(xiě)入 HSQ 制造 3D 納米級(jí)無(wú)機(jī)特征的示意圖。

激光3D打印技術(shù)是制備三維無(wú)機(jī)微結(jié)構(gòu)的重要手段之一，但是在制備無(wú)機(jī)微結(jié)構(gòu)時(shí)，其特征尺寸和加工分辨率受到材料和光學(xué)衍射極限的限制，難以實(shí)現(xiàn)納米尺度制備。

該工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光與物質(zhì)的非線性相互作用，通過(guò)多光子吸收引起的“雪崩電離”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)光刻膠氫倍半硅氧烷（HSQ）的飛秒激光超衍射納米光刻，突破了前人提出的HSQ無(wú)法使用可見(jiàn)和近紅外光進(jìn)行光刻微加工的局限。

作者系統(tǒng)研究了激光能量、掃描速度和掃描方式等加工參數(shù)對(duì)特征尺寸的影響規(guī)律，通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)激光的加工參數(shù)，成功得到了自支撐的33納米和26納米HSQ納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了λ/30（激光波長(zhǎng)1/30）的特征尺寸，并制備出了具有優(yōu)異的耐高溫和耐溶劑性能的3D無(wú)機(jī)微結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑了多種基于無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)的光子學(xué)微器件和仿生微結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)工作為基于HSQ微結(jié)構(gòu)的新型無(wú)機(jī)納米器件的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

《納米快訊》：實(shí)現(xiàn)跨尺度微納復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新途徑

微納尺度上的3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意三維，并且精度很高，但談到這個(gè)技術(shù)到目前為止最大的遺憾，鄭美玲告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“在工業(yè)中幾乎沒(méi)有做成過(guò)產(chǎn)品，因?yàn)檫@種技術(shù)制備大結(jié)構(gòu)器件的效率很低。”這也是該團(tuán)隊(duì)目前的一個(gè)研究方向。

在稍早些由《納米快訊》發(fā)表的成果《無(wú)掩模光學(xué)投影納米光刻實(shí)現(xiàn)λ/12超分辨率和高效跨尺度結(jié)構(gòu)圖案化/λ/12 Super Resolution Achieved in Maskless Optical Projection Nanolithography for Efficient Cross-Scale Patterning》中，他們部分解決了這個(gè)痛點(diǎn)問(wèn)題。

鄭美玲團(tuán)隊(duì)與合作伙伴以波長(zhǎng)為400納米的超快激光作為光源，利用數(shù)字微鏡芯片（DMD）生成圖案化光場(chǎng)，發(fā)展了無(wú)掩模光學(xué)投影超衍射納米光刻技術(shù)，突破光學(xué)衍射極限的限制，獲得了僅為激光波長(zhǎng)1/12（λ/ 12）的32 納米光刻線寬，高效制備了數(shù)百微米尺度與納米尺度并存的跨尺度微納結(jié)構(gòu)。

此外，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制更改所需的DMD生成圖案化光場(chǎng)，便捷實(shí)現(xiàn)了多種跨尺度微納結(jié)構(gòu)圖案制備，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單重復(fù)該過(guò)程，還可以實(shí)現(xiàn)多樣化圖形的批量制備。

無(wú)掩模光學(xué)投影超衍射納米光刻技術(shù)，為跨尺度微納復(fù)雜結(jié)構(gòu)圖案化提供了高效、便捷的新技術(shù)途徑，有望在涉及電子、光學(xué)和生物等領(lǐng)域的微納米器件的研究與開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)定制化微納結(jié)構(gòu)與器件的低成本、高效率、批量制造。期刊審稿人評(píng)價(jià)該技術(shù)為“真正開(kāi)創(chuàng)性的成果”。