激光为笔“雕琢”万物，开启微观世界创新之门
科技
2024-11-25 12:01
广东
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亮着黄光的实验室里，一排排光学器件有序排列在操作台上，一束束激光透过镜片“雕琢”光敏材料，3D打印出各种器件……在中国科学技术大学苏州高等研究院特任研究员、博士生导师杨亮的实验室中，一次次微纳级别的3D打印，正在不断拓展科学认知的范围，为微电子、生物医学等领域技术突破蓄力。以激光打印为技术通路，将光敏材料作为原料基础，中国科学技术大学苏州高等研究院以激光为笔，“雕琢”万物，全力开启微观世界的创新之门。体外细胞培养作为探究细胞功能、疾病机制及新药开发的关键手段，其核心在于模拟细胞在特定环境下的行为。按照传统方法，这些实验多采用塑料培养皿进行二维单层细胞培养，但这一方法忽略了体内细胞所处的复杂环境。最近，杨亮课题组正试图构建与人体生理环境更为接近的三维细胞培养环境。“我们采用的技术，叫作3D微纳打印。在微观环境下，这些打印的器件精度很高，粗细仅为一根头发的千分之一。”杨亮说，通过激光微纳打印技术构建的3D培养环境，能更真实的构建细胞生存的微生理系统，使细胞行为更接近体内状态，可以更好地模拟体内的生理和病理过程。激光微纳制造，是通过激光与材料相互作用，改变材料的物态和性质，实现纳米至微米乃至跨尺度的控形与控性。3D微纳打印出的微生理系统，是杨亮十多年如一日钻研的激光微纳打印技术落地的一个具体应用场景。“做科研，一定要在国外不同的课题组工作、学习，了解世界在这一领域的前沿水平和方法，提升国际视野。”带着这种想法，杨亮在中国科大拿到博士学位后，先后前往德国汉诺威大学、德国卡尔斯鲁厄理工大学（KIT）开展系统性研究，并在激光微纳打印机理研究、技术开发以及生物医学微电子、微支架、微机械等前沿应用领域，收获了一系列创新成果——在知名国际期刊及学术会议上发表40余篇论文，先后主持包括国家自然科学基金在内的6项科研项目，参与国家自然科学基金以及德国与欧盟多项重大科研项目。“在激光微纳制造领域，中国和世界实现了并跑。”杨亮说。当初出国，就是为了有一天能带着“全球视野”归来，助力中国在这一领域发光发热。在母校的“召唤”下，2023年初，杨亮来到中国科大苏州高研院任教，开启了在功能材料、激光微纳制造等领域的攀登。激光微纳加工技术可在小于100纳米的精度内实现传统方法难以实现的复杂功能结构器件的增材制造（3D打印）。但目前大部分激光微纳加工结构是单一的聚合物材料或金属材料。而高质量半导体材料激光直写方法的缺失，也导致目前激光微纳加工技术的应用难以拓展至微电子器件领域。刚归国不久，杨亮课题组就在这一关键领域取得了重要进展。“我们开发了一套金属氧化物半导体激光微纳制造新方法，实现了亚微米精度的氧化锌半导体结构激光打印，并且将其与金属激光打印相结合，首次验证了二极管、三极管、忆阻器及加密电路等微电子元器件和电路的一体化激光直写，从而将激光微纳加工的应用场景推广到微电子领域。这意味着激光微纳加工在柔性电子、先进传感器，智能微机电系统等领域具有重要的应用前景。”杨亮介绍说。据悉，这套半导体激光打印系统，硬件和软件全部由杨亮团队打造，把高精度半导体激光增材制造技术大大向前推进了一步。杨亮说，这项研究成果还发表在了顶级学术期刊《自然—通讯》（NatureCommunications），被认为是“打开了激光直写微电子器件的全新方向”。“接下来，我们还会不断通过实验中迭代半导体增材制造技术，进一步完善机制和原理。”这次突破也让杨亮更加明确未来的研究方向。“激光微纳制造领域的材料，大多为单一结构，要么是金属，要么是聚合物。但是实际生活中的物品，比如投影仪、手机等等，是由半导体、金属、玻璃等组合在一起，形成一个功能性系统。这为我们提供了借鉴。”杨亮说，围绕激光微纳打印，他和团队希望打造一个多材料打印系统——既要做功能性材料，又要把多种功能性材料组合在一起，形成真正的多功能激光微纳打印系统。从事基础科学研究，尽管研究成果并不直接转化为产品，但杨亮很明确自己的定位——为更多科学研究提供技术手段。“激光微纳制造技术具有高精度、高效率和非接触性的特点，能够实现对微细结构的精细加工，在微电子、光学、生物医学等领域大有可为。我们希望以底层技术的创新，托举更多行业的进步。”杨亮说。眼下，杨亮课题组正在开展一项国家自然科学基金面上项目，主要方向为激光微纳打印三维结构，以便提取细胞电信号。“细胞电信号传递关系到细胞机制研究，对于药物的筛选、疾病诊疗都有非常重要的意义。以往，提取细胞电信号的方式两种，一是膜片钳；二是二维的微电极阵列，相当于在电路板上养细胞。”杨亮告诉记者，这两种方式都有短板，膜片钳操作复杂、价格昂贵，需要对操作人员进行培训；微电极阵列是二维结构，细胞跟电路板接触面积有限，难以提取所有电信号。“我们尝试把微电极阵列从二维拓展到三维，用3D微纳打印构建细胞三维生存环境，同时在这个环境里引入三维电路来提取细胞电信号，构建新型细胞机制研究平台。”回国不到2年，杨亮已经搭建了一支14人的科研团队，成员来自机械、光学、计算机、生物工程等不同专业。在他看来，交叉学科研究需要交叉的学术背景，这样的成员结构让大家既能发挥各自的长处，也能让整个团队拥有系统性的整体眼光，把研究的领域拓展开来。“也许在不远的将来，我们会打印出微米、纳米级别的医疗器械或传感器，贴在手指上就能收集各种健康数据，让更多的科学研究成果照进现实。”杨亮说。免责声明：凡本公众号注明来源非本公众号的作品和图片，均转载自其它媒体，目的在于传递和分享更多信息，并不代表本媒赞同其观点和对其真实性负责，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们删除。
