中国科学家实现多样化三维纳米结构的并行加工,可降低90%以上的制造成本,已成立初创公司进行成果转化

DeepTech深科技 2023-01-26 12:32

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我们开发了一种新策略,其最显著的优势是在纳米级别的精度打印上,可降低 90% 以上的成本,并提升约 1000 倍的打印速率,为商品化及工业应用提供了全新的解决方案。”香港中文大学陈世祈教授说。

他提及的新策略来自近期香港中文大学与美国卡耐基梅隆大学招泳欣课题组合作的一项研究。他们通过开发 3D 纳米加工平台,首次直接在水凝胶中实现了多样化 3D 纳米结构的并行加工。其适用材料包括 20 多种,例如金属、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、分子晶体和墨水等。

也就是说,在该平台将飞秒光片制作的水凝胶为模板,能直接组装和设计功能性 3D 纳米结构。值得关注的是,通过微调曝光策略和图案化凝胶特征,实现了从 20 到 200 纳米分辨率的二维结构和三维结构。

视频丨视频演示飞秒光片图案化的过程“CUHK”(香港中文大学),以及在光学显微镜下其后的钢笔墨水自组装过程(来源:香港中文大学)

该团队展示了加密光存储和微电极等纳米器件,以及它的相关设计的功能和精度。相关实验结果证明,该策略为多样化材料的纳米制造提供了全新解决方案,为复杂的纳米器件的设计提供了更多可能性。

研究人员证明了该平台对各种结构的三维超材料的可能性,并展示了光学三维光储存的结果比现有的光储的密度高 2 到 3 个数量级,约高了 1000 倍。此外,在写入与读出速度上也创造了新的记录。因此,该技术在未来在光储存方向可能开创新的应用。

这种 3D 纳米加工平台针对创造新功能性材料、生物相容性的微器件、光学超材料和柔性电子等方向提出了一种颠覆性的解决方案,或驱动光子学、纳米技术和生物技术领域进一步发展。

审稿人对该研究评价道:“这里展示的工作令人非常兴奋,肯定会在许多方面开创性的推进 3D 纳米制造领域。尤其值得一提的是,其首次在水凝胶中使用光片进行超快 3D 光刻,对横向分辨率的显着提高,并展示了用于修改凝胶和使材料‘直接组装’的新型光化学。”

图丨相关论文(来源:Science

2022 年 12 月 22 日,相关论文以《通过超快激光图案化和动态调节材料组装的三维纳米制造》(Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly)为题发表在 Science 上[1]。

香港中文大学机械与自动化工程系博士后研究员韩飞及博士生谷松韵为该论文的共同第一作者,陈世祈教授及卡耐基梅隆大学生物科学系招泳欣副教授为论文的共同通讯作者。

超高分辨率的 3D 纳米制造

受限于聚合物和贵金属材料,在以往的研究中制造复杂的三维结构是纳米技术的主要挑战之一。虽然 EUV 可在纳米尺度实现二维光刻,但在纳米以下尺度制造复杂的三维结构基本上没有解决方案。

该研究利用材料库实现多样化 3D 纳米结构策略。因此,通过该平台还可验证那些从前被科学家预测的一些结构或者现象。

图丨陈世祈教授在实验室,右侧系统为论文中的飞秒光片实验系统(来源:陈世祈

该研究的起始要从三年前团队的一篇 Science 论文说起[2]。2019 年,陈世祈团队开发了飞秒投影双光子光刻系统。他们将飞秒激光同时在时间和空间中聚焦,实现了可编程的加工飞秒光片,解决了微纳加工领域的双光子打印问题。

虽然利用投影的打印方案之前市场上已有商业化设备,并达到很高的横向分辨率,但数字微镜设备在进行投影时,光经过之处都会产生固化,因此没有轴向解析度。

通过三年前的研究,该团队使用飞秒镭射放大器生成的飞秒光片达到了约 100 万个点的同时固化,并实现了用光强调制从 175 纳米到 5 微米间的光片厚度。也就是说,层与层之间的距离可被控制,并实现了几个数量级的打印速度提升。

在解决了速度与打印精度的问题后,该团队便开始聚焦解决微纳打印受限于聚合物和贵金属材料的难题,而解决该问题的关键就在于开发适应材料多样性的打印方法。

当时,麻省理工学院的爱德华·博伊登(Edward Boyden)课题组做了一系列超分辨显微镜的工作,并利用膨胀显微镜相反的概念提出了塌缩制造的方案,这对解决尺寸缩小等问题奠定了良好的基础。

而本次新研究的合作者招泳欣教授当年正是其课题组的博士后,双方“一拍即合”,决定共同探索解决微纳结构制造速度与材料多样性的方案。

图丨制造设置、工艺和结果的原理图说明(来源:Science

在本次研究中,该团队结合了 2019 年提出的飞秒光片状图案化与水凝胶基底,通过动力学控制纳米组装过程,来替代传统的光反应。他们通过这种新方案突破了对材料在尺寸、亲水性等多方面的限制,同时攻克了材料多样性及光衍射极限的难题。

该技术是制造工艺的一种创新,从制造角度来看,最重要的四个关键指标是制造精度、制造速度、成本、良率。这四者通常是“此消彼长”的关系,例如当制造精度实现更高时,成本随之增加,制造速度会下降,良率可能也存在一定问题。而在该研究中,将这四者同时推到了极限。

“这是两篇论文相结合的共同成果,韩飞和谷松韵在研究中付出了很多,特别是一些独特的想法在他们坚持下才做到现有的程度。”陈世祈说。

图丨展示材料的种类(来源:Science

他认为,未来该平台可像 3D 打印那样为多个行业所用。除了论文中展示的 20 多种材料,该方法也可直接应用于其他亲水性或分散性材料、并无需复杂的化学设计。

图丨衍射光学元件制作(A-D)及其在三维光存储和加密中的应用 (E-K)(来源:Science

下一步,该团队计划在项目上开发更多的案例,以及在机理方面进行深入的探索。另一方面,为更好地在 20-50 纳米复杂结构中应用,他们将继续研究去除水凝胶支架等问题。

已成立初创公司进行技术的产业转化

陈世祈在获得中国台湾清华大学动力机械工程学士学位后,赴美国麻省理工学院机械工程系完成了硕士及博士阶段的学习。随后,他加入哈佛大学医学院威尔曼光医学中心及麻州总医院,作为研究员在生物医学光学和内窥显微镜方向进行研究。

随后,在哈佛大学的乔治·怀特塞兹(George Whitesides)教授创立的初创公司 Nano Terra 担任资深科学家,致力于开发新型纳米加工工艺。2011 年,他加入香港中文大学,担任机械与自动化工程学系教授。

其主持或参与美国劳伦斯国家实验室项目、国家自然科学基金面上项目、香港大学教育资助委员会及创新及科技基金项目等国内外研究项目 50 多项。

图丨陈世祈课题组部分成员合影(来源:该课题组)

该课题组目前有三十多位成员,研究主要方向包括光学成像、图像处理、镭射加工、3D 打印、精密机械设计等。他鼓励学生主动找到自己感兴趣的研究课题,然后开始集中精力攻克。

“你们所做的技术会改变人们的生活。”这是陈世祈经常和学生们说的一句话。他认为,作为技术的研究人员,必须有很明确的选择标准去决定课题及技术攻关的最佳方案。也就是说,不仅要了解技术,还要清楚相关技术对行业和社会的重要性,以及其带来的深远影响。

图丨韩飞(左)和谷松韵(来源:该课题组)

什么样的项目是一个好项目?在陈世祈看来,比起发“厉害”的论文,将技术推出去进行产业化转化、影响到工业界与社会的技术更为重要。因此,该课题组积极进行专利技术转化和科技创新,目前在超快激光应用、生物光子学、精密机械、纳米制造和微机电系统等研究领域,申请美国发明专利 32 项,已授权 20 项,其中 9 项专利已授权相关公司进行商业应用。

目前,陈世祈教授已创建三家初创公司,包括 2022 年 12 月注册的、开发高速 3D 打印技术的公司Astra Optics,并得到香港特别行政区政府为期三年的资金支持。“纳米 3D 打印的成本与速度决定了它的市场前景。”他表示。

此外,还包括发展用于检测健康状况的可穿戴设备的公司Intelligent Sensing,以及开发基于肿瘤精密切片的高通量药物筛选平台的公司 Precision Cut。


参考资料:
1.Fei Han Songyun Tan et al. Science 378,  6626,1325-1331(2022). https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420
2.Sourabh K.Saha et al. Science 366,6461,105 - 109(2019). https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax8760

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