清華大學李景虹院士，再添一篇Science！

【導讀】

3D打印結構是通過在構建塊（原子，分子或小塊材料）之間的所需位置創建化學鍵而形成的，其最重要的進步是使用光來觸發溶解或懸浮在液體中的構建塊之間的連接，以制造具有高空間分辨率的復雜3D結構，這種方法基于光誘導的化學反應，該反應發生在光聚焦的有限體積的液體中，在構建塊之間形成鍵。通過使用光束跟蹤所需的結構設計，最終物體在液體中建立起來。這種策略主要用于在稱為光聚合的過程中創建塑料（聚合物）物體。對于其他材料，例如半導體，由于材料的復雜成分，內部結構和高原子結合能，從液體前驅體到固體的光觸發轉化是不可能的，其需要苛刻的加工條件，例如高壓或高溫，通常與3D打印不兼容。

繞過這個問題的解決方案是使用納米顆粒作為墨水中的固體構建塊。納米顆粒應具有均勻的尺寸，以保證高空間分辨率，并在最佳墨水中利用其尺寸依賴性特性，表面活性劑輔助膠體合成已被用于產生這種納米顆粒集合。這種合成方法依賴于使用稱為配體的長有機分子來指導納米顆粒的形成，從而控制其大小和形狀以及其他特性。在納米顆粒合成過程中發揮作用后，合成過程中形成的配體或衍生物保留在納米顆粒表面上，有助于形成穩定的懸浮液，高質量印刷的關鍵特性挑戰在于找到正確的化學成分來在納米顆粒之間形成鍵。

【成果掠影】

在此，清華大學李景虹院士，孫洪波教授，張昊副教授和林琳涵副教授（共同通訊作者）設計了一種納米顆粒打印策略（3D Pin），該策略將不同納米顆粒之間的配體互連以創建3D結構。將分子添加劑混合到納米顆粒懸浮液中，然后在用光照射時分解，產生一種稱為粘合劑的高反應性和對稱物質，它能夠橋接配體。鍵的形成可以發生在同一納米顆粒的兩個配體內，降低局部膠體穩定性并使顆粒更緊密地結合在一起，或者發生在不同納米顆粒的兩個配體之間，間接產生顆粒間鏈接。此外，結合通過配體烴鏈發生，提供完全不受配體表面錨定基團的性質的影響。因此，可以使用多種配體，從而簡化油墨制備。總體而言，光觸發的反應序列導致固體物質的積聚，該固體物質由光通過液體的焦點路徑定義。

這種打印方法的另一個優點是最終3D結構中存在少量有機物，特別是與以前的納米顆粒封裝在聚合物基質中的方法相比。理想情況下，最終結構應僅由要打印的固體材料制成，即納米顆粒。有機分子的存在通常不利于納米顆粒需要彼此靠近的應用，例如涉及電荷轉移（電子，催化等）的應用。Li等人使用的高納米顆粒含量S方法還允許在打印后通過熱剝離或化學剝離去除有機網絡，而不會影響物體的形狀和強度。

相關研究成果以“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”為題發表在Science上。

【核心創新點】

1.本文報告一種與材料無關的3D打印納米顆粒策略，使用一種能夠在光照射下分解成反應性物質的添加劑，最終將納米顆粒表面的兩個穩定分子（封端分子）結合在一起。

2.本文提出的方法有助于生產由大量材料制成的高度密集，機械堅固的3D結構，這也是朝著實現增材制造的真正潛力邁出的重要一步。

【數據概覽】

圖一、本文提出的3D打印機理? 2023 AAAS

圖二、不同材料的3D納米打印? 2023 AAAS

圖三、無機納米材料的混合3D打印? 2023 AAAS

圖四、打印的TiO₂?NC薄膜的折射率和II-VI核殼QDs打印柱的力學性能? 2023 AAAS

圖五、打印3D結構的光學特性? 2023 AAAS

【成果啟示】

綜上所述，本文的策略實現了出色的空間分辨率，同時取決于波長和用于觸發反應的光學設置，類似于光學顯微鏡的分辨率極限。此外，打印設置類似于商業3D打印機中使用的設置，這意味著在化學安全評估后，該方法可以在現有系統中輕松而廣泛地采用。然而，與聚合物3D打印相比，這種方法的缺點是打印速度受到納米顆粒擴散到暴露體積的限制。溶液的粘度、粒徑和配體類型會影響油墨的穩定性，管理影響打印速度的變量在化學工程領域是一個挑戰。此外，這是朝著實現增材制造的真正潛力邁出的重要一步，作為一種變革性技術，極大地簡化了設備制造并擴大了可打印材料的功能。

文獻鏈接：“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”（Science，2023，10.1126/science.adg6681）

本文由材料人CYM編譯供稿。