对复杂三维（3D）微/纳米结构日益增长的需求激发了相应制造技术的发展。在这些技术中，基于机械引导组装的3D制造技术显示出广泛的材料兼容性、高度可设计性和应变下的结构可逆性等优点，但由于纳米制造和设计技术的瓶颈，其不适用于纳米级器件的印刷制造。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国机械与材料研究所（Korea Institute of Machinery and Materials，KIMM）和韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）联合开发了一种基于机械引导组装的纳米级3D制造技术，可合理设计屈曲构型并印刷宽度小至50 nm的结合和悬浮位点。基于共价键的二维纳米转移印刷实现了在弹性体基底上印刷纳米结构，用于解决制造问题，同时使用分析计算和数值模拟检验通过调节基底的机械特性进行构型设计的可行性，从而印刷出各种3D纳米结构。印刷的纳米结构表现出与应变无关的电学性质，因此可用于制造可拉伸的H2和NO2气体传感器，其在30%的外部应变下具有稳定的高性能。
在本研究中，纳米级3D制造工艺分为三个步骤。第一步，使用电子束蒸发器将目标材料沉积在纳米图案化的聚氨酯丙烯酸酯（PUA）模具上，然后进行氧等离子体处理以促进纳米转移印刷。第二步，在微图案化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上涂覆增粘剂N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺，并施加预应变。第三步，将具有纳米图案的目标材料转移到PDMS基底上，并通过释放基底预应变将其印刷为3D纳米结构。所开发的工艺可用于获得不同的3D纳米结构。
构型可设计的纳米级3D制造概念和实现
研究人员通过调节聚合物模具、目标材料和弹性体之间的粘附力，实现了向弹性体基底的纳米转移印刷，并研究基底的机械性能和最终屈曲构型之间的关系，以实现所制备的3D纳米结构的合理设计。随后，使用各种2D纳米图案形状、屈曲方向、屈曲挠度和屈曲模式印刷了具有不同构型的多种3D纳米结构，证明了所提出工艺的可行性和相关设计的多样性。
各种条件下基于机械引导组装的3D制造结果
为了证明纳米级3D制造的适用性，研究人员将其用于制造高灵敏度和可拉伸的气体传感器。所制造的可拉伸Pd基H2传感器和In2O3基NO2传感器都显示出比传统传感器更高的灵敏度，并且由于其弯曲的3D纳米结构，传感器在外部应变下仍能保持稳定的性能。
气体传感器的机电特性和性能
总而言之，研究人员开发并展示了一种基于机械引导组装的3D制造策略，以实现可设计构型的纳米级3D结构的印刷。尽管取得了上述成功，但仍有一些挑战有待解决。首先，印刷结构的纵向尺寸需要进一步减小，因为本研究仅讨论了纳米级的宽度和厚度，而长度超出了微米级。为了解决这个问题，需要在3D制造过程中开发纳米级对准方法，因为这种对准是精确设计和控制最终3D结构所必需的。第二，纳米级3D制造工艺的商业化需要实现逆向设计工艺和全向应变下的印刷。研究人员期望在不久的将来可以开发出包括全向应变分析在内的逆向设计工具。
尽管如此，本研究成果应该有助于解决与机械引导组装的可印刷尺寸相关的瓶颈，并为应用于光学器件、物理/化学传感器、催化剂和生物电子学的纳米级3D制造技术的实现和商业化铺平道路。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36302-9
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