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科學家用納米像素實現3D彩色打印


最近,新加坡研究人員用一種特殊的納米像素開發出一種新的3D打印方法。每個納米像素都編碼了兩套光色信息,在不同的偏振光下會顯出不同顏色,在兩種偏振光下會呈現出兩幅分開的圖像,讓兩幅圖在同一視野中輕微錯位,就產生了景深的感覺,成為一種3D立體圖。相關論文發表在最近出版的《自然·通訊》雜誌上。

“打印像素用等離子納米結構製作,生成的立體圖可能是迄今最小的。”研究負責人、新加坡科技與研究局(A*STAR)材料研究與工程研究所的約爾·楊說,“看圖時不需要戴特殊眼鏡,而是通過偏振器結合光學顯微鏡才能看到景深和3D效果。”

該研究的原理是表面等離子共振:金屬納米結構會以不同波長共振,所以它們會散射不同波長的光。如果納米結構是圓的,其共振就與偏振無關,因為圓的直徑所有方向都一樣;如果納米結構是二軸的(橢圓或長方形),其共振就取決於入射光的偏振態。研究人員特製了精確規格的納米像素,就能在不同的偏振光下產生不同的顏色。

這種偏振感應納米像素由直徑約100納米的微鋁顆粒製成。據物理學家組織網11月21日(北京時間)報導,研究人員實驗了兩種不同形狀:橢圓和二連方塊(一對方塊由很小間隙隔開),都是二軸的,兩個軸會在不同波長下共振,顏色由平行於偏振光方向的軸長決定。比如一個130納米×190納米的橢圓像素在y偏振光下顯綠色,而在x偏振光下顯紫色。比較這兩種像素形狀,他們發現橢圓形像素的偏振—決定色譜更廣,而二連方塊的交叉度更低,能把不想要的顏色混合減到最小。

“平面打印,立體成型”微納加工新方法研究取得重要進展

表面微納結構已經在微電子、半導體、太陽能電池、發光二極管、等離子基元、仿生材料、超材料、細胞生物學等領域得到了廣泛的應用,極大地推動了表面科學與工程的進展。隨著人們對各種表面新奇特性研究的深入,各種新型表面結構不斷被提出。這些新型的結構,特別是複雜的多級次表面結構對微加工技術在成本、工藝、批量生產、精准設計和可控加工等方面提出了許多新的挑戰,目前的常規微納加工方法已經難以滿足複雜結構的加工需要。近十多年來,新型微加工方法的研究獲得長足進展,各種巧妙的方法不斷湧現,如:納米球光刻,晶界光刻,嵌段共聚物微相分離法,礦物沉積仿生微結構,應力應變微結構等。基於應變的方法由於可以低成本、大面積製造微結構,已經被認為是一種非常有前景的新方法,去年發表在《科學》上的相關文章進一步印證了這一觀點(Science 2015,347 154 -159)。中國科學院納米科學卓越中心和國家納米科學中心的劉前課題組長期致力於新概念加工方法的研發工作,創新新的提出了激光誘導模量調控的應變誘導的新思路,並取得了一系列的研究成果(Adv. Mater .  2012, 24, 3010-3014; Nanoscale 2012, 4, 1545-1548; Nanoscale 2013, 5, 8351–8354)。最近,該課題組發展了一種“ 2D打印,3D成型”的新技術,可用來製備各種複雜的三維表面結構。該法具有工藝簡單、成本低、可精准設計和可控加工、易於大批量製造、與成熟的平面製造工藝相兼容等優點。 

一般來講,當一個激光脈衝打在一個下軟上硬的雙層薄膜上時,被激光打過的點會發生一個微小的結構變化,導致該點模量的改變,進一步對其加熱至下層材料的玻璃化溫度附近,則在此點會發生一個乳突狀塑性形變結構。以此點狀應變結構作為“激光誘導基本單元”,則任意複雜的結構都可以通過“激光誘導基本單元”疊加實現。更有趣的是,這樣“激光誘導基本單元”可以用一個機械波的阻尼函數精準的描述,從而這樣的點之間的相互作用則服從機械波的疊加原理,這意味著我們可以解析的設計任意的複雜結構,實現精準的設計。也就是說,對任意所需的立體結構通過數學逆變換可以獲得其平面打印結構,實現複雜結構的簡單加工。此外,由於“激光誘導基本單元”可受到加熱溫度、加熱時間、激光功率、激光脈寬、材料組成等多因素的調控,為在實驗上實現各種複雜結構提供了多自由度靈活調控手段。這樣的方法將一個複雜的立體結構加工轉化為一個簡單的平面製造問題,大大簡化了製造工藝並可實現複雜多級次結構的低成本、可設計、大面積和高度可控製造。與目前主流“減材”製造加工技術(自上而下)和流行的“增材” 3D打印技術相比,我們的方法“既不增材,也不減材”,更加綠色。 
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