清華大學(xué)發(fā)明3種3D打印新技術(shù)，成果登上《科學(xué)》和《自然》

3D打印技術(shù)參考注意到，清華大學(xué)近年來(lái)已經(jīng)在國(guó)際頂級(jí)期刊《science》和《nature》發(fā)表了多篇有關(guān)3D打印技術(shù)的研究，其中發(fā)明的新工藝就有三種。本期內(nèi)容，我們就來(lái)回顧國(guó)內(nèi)頂尖團(tuán)隊(duì)發(fā)明的這些新技術(shù)。

??半導(dǎo)體量子點(diǎn)3D打印技術(shù)

2022年，清華大學(xué)孫洪波院士與林琳涵副教授課題組，發(fā)明了一種名為“光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)3D納米打印”的新技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)聚合物、超高純度、三維任意構(gòu)型的量子點(diǎn)納米級(jí)3D打印，為前沿光電子器件的發(fā)展提供了重要工藝基礎(chǔ)。

該研究以“3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding”為題發(fā)表在Science。

為了讓納米尺度的量子點(diǎn)結(jié)合在一起創(chuàng)建出結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)上需要用到有機(jī)聚合物，這會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品的純度和性能。這項(xiàng)研究完全拋棄了聚合物，利用激光激發(fā)量子點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生高能載流子，這些載流子會(huì)移動(dòng)到量子點(diǎn)表面，剝離其保護(hù)配體，導(dǎo)致量子點(diǎn)之間可形成化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合。

這一全新的物理機(jī)制解決了多個(gè)傳統(tǒng)制造中的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了幾乎100%的材料純度、突破了極限打印的分辨率，并在大規(guī)模陣列化加工時(shí)保持優(yōu)良的均一性，而且該技術(shù)還具有強(qiáng)大的三維與多材料加工能力。

報(bào)道指出，該研究開辟了納米器件制備工藝的新途徑，在光電器件集成、高性能近眼顯示等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

??無(wú)機(jī)納米材料3D打印技術(shù)

2023年，清華大學(xué)化學(xué)系張昊副教授、李景虹院士與精儀系孫洪波院士、林琳涵副教授團(tuán)隊(duì)?，發(fā)明了一種名為“3D Pin”的新技術(shù)，它的重要突破在于，不需要依賴聚合物，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種無(wú)機(jī)納米材料的高精度、高純度、普適性直接3D打印。

這項(xiàng)成果以“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”為題發(fā)表在Science。

納米級(jí)分辨率的無(wú)機(jī)材料3D打印為探索新興功能器件提供了一種不同的材料加工途徑。然而，現(xiàn)有技術(shù)通常需要使用光固化樹脂，這會(huì)降低材料純度并損害其性能。

清華團(tuán)隊(duì)找到了一種全新的化學(xué)機(jī)制來(lái)打印結(jié)構(gòu)。所配制的墨水只用少量交聯(lián)劑，在飛秒激光掃描下，就能觸發(fā)納米顆粒之間直接形成共價(jià)鍵，打印完之后通過溫和的熱退火或化學(xué)處理可將剩余的少量有機(jī)組分徹底去除，幾乎不損害結(jié)構(gòu)完整性。

該技術(shù)在打印無(wú)機(jī)材料時(shí)具有通用性，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了十余種半導(dǎo)體、金屬氧化物、金屬及其混合物。這種無(wú)需樹脂的鍵合過程，可以以納米級(jí)分辨率3D打印出眾多無(wú)機(jī)納米材料及其混合物的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且打印結(jié)構(gòu)具有較高的無(wú)機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（~90%）和高機(jī)械強(qiáng)度。

這項(xiàng)研究可為構(gòu)建微納功能材料、光電集成器件、生物芯片等提供新的手段。

?? 計(jì)算全息光場(chǎng)3D打印技術(shù)

2026年，清華大學(xué)戴瓊海院士所帶領(lǐng)的成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了一種“通過合成全息光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)亞秒體積3D打印”的新技術(shù)，將傳統(tǒng)體積3D打印的曝光速度提升了數(shù)十倍，毫米級(jí)尺寸的高分辨率復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印僅需0.6秒，打破了制造速度、尺寸、精度不能兼得的限制，創(chuàng)下了該技術(shù)的世界紀(jì)錄。

這項(xiàng)研究成果以“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields”為題發(fā)表在Nature。

傳統(tǒng)的體積3D打印包括“交叉光刻”和“計(jì)算軸向光刻”等，雖已經(jīng)大幅提高了3D打印的速度，要么材料受限，要么難以保證尺寸和精度。而清華大學(xué)推出的這一新技術(shù)，轉(zhuǎn)換了體積3D打印的思路，變旋轉(zhuǎn)樹脂容器為旋轉(zhuǎn)光場(chǎng)，將打印速度再度提升了幾十倍、能夠以更高精度打印更大尺寸的零件，且打印的材料更為多樣。因此，該技術(shù)一次性同時(shí)解決了速度問題、材料選擇問題以及制造精度問題。

這一技術(shù)的成功開發(fā)，是多學(xué)科交叉研究的成果。研究團(tuán)隊(duì)基于在計(jì)算光學(xué)的深耕實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)計(jì)算光學(xué)可操縱高緯全息光場(chǎng)構(gòu)建三維實(shí)體，歷時(shí)五年攻關(guān)，攻克了多視角光場(chǎng)的高速調(diào)控，拓展景深的全息圖案優(yōu)化算法設(shè)計(jì)等系列難題，最終創(chuàng)造出“數(shù)字非相干合成全息光場(chǎng)（DISH）3D打印技術(shù)”。

清華大學(xué)指出，該技術(shù)將為生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、微型機(jī)器人、微納光學(xué)器件相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)提供新的解決方案。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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