近年来，液态金属镓因其独特的物理化学特性，成为纳米科技领域的研究热点。然而，由于镓的高表面张力，使得传统的微纳加工技术难以实现高精度的表面图案化，进而限制了其在纳米光学等领域的应用。
近日，湖北大学范闻教授团队提出了一种“超重力纳米压印”方法。该方法通过水平离心产生的超重力场，将液态镓压入带有纳米结构的弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板中。通过在亚零度环境下使镓固化，实现了高达100纳米分辨率的纳米图案可控转移。这些纳米图案在光照下展现出角度依赖的结构色现象。此外，作者通过流体动力学仿真进一步验证了在超重力加速度下，液态镓能够克服高表面张力实现纳米沟槽的填充。相关文章以"Surface Nanopatterning and Structural Coloration of Liquid Metal Gallium Through Hypergravity Nanoimprinting"为题发表在Advanced Functional Materials上。![]()
图1. 镓表面超重力纳米压印过程的示意图。a) 带有纳米级表面拓扑结构（如平行纳米沟槽阵列）的模板。b) 将液态PDMS预聚体直接浇注到母模板表面。c) 通过离心或真空辅助注入，使PDMS预聚体完全填充模板的纳米结构，经过热固化后形成精确的反向模具。d) 从母模板上分离出固化的PDMS印章。e) 将高纯度液态镓倒入3D打印的聚乳酸容器中。f) 将PDMS印章的带有图案的一面压在液态镓表面，但由于镓的高表面张力，无法直接注入。g) 通过水平离心产生超重力场，施加压力将镓注入PDMS的纳米孔洞中，然后在低温下冷冻固化以保存压印图案。h) 柔性剥离PDMS印章，得到带有精细纳米结构的固化镓基底。![]()
图2. 通过PDMS印章将半导体晶圆的纳米图案转移至镓表面的光学表征。a–c) 半导体晶圆模板 (a)、中间PDMS印章 (b)、以及超重力纳米压印后带有图案的镓基底 (c) 的照片。d–f) 低倍率光学显微照片展示了d) 晶圆模板、e) PDMS印章以及f) 镓基底的表面微结构和虹彩结构色。g–i) 高倍率光学显微照片展示了g) 晶圆模板、h) PDMS印章和i) 镓基底上平行纳米线条图案的高保真度转移。j–l) 镓表面纳米压印的质量受不利因素的影响：j) 离心后液态镓表面氧化层的累积（白色框内显示）导致图案和结构色的均匀性下降；k) 氧化镓层可能形成应力点，在固化的镓表面引发微裂纹（白色框所示）；l) 在超重力压印过程中，将液态镓置于PDMS模板之上会阻碍良好的纳米图案和结构色的形成。![]()
图3. 通过超重力纳米压印技术实现的纳米沟槽和胶体阵列结构的复制精度。a, b) 蓝光光盘模板(a)和纳米压印后的固化镓表面(b)上的纳米沟槽结构的AFM图像及相应的高度剖面，复制出100纳米水平间距和25纳米垂直间距的沟槽结构。c, d) 蓝光光盘模板(c)和纳米压印后的镓表面(d)的照片，展示了不同角度下的蓝色、绿色和橙色结构色。e) CIE色度图表显示镓表面（白点）上的结构色（蓝、绿和橙色）具有高饱和度，并且与蓝光光盘相应颜色（黑点）的色度坐标接近。f, g) 蓝光光盘模板(f) 和镓表面(g)的角度分辨反射光谱，显示了在不同反射角度下相似的反射峰，表明镓表面成功复制了模板的结构色特性。h–j) 硅球胶体阵列结构模板(h)、PDMS印章(i)和镓表面(j)的AFM图像及高度剖面。![]()
图4. 液态镓在PDMS模板内通过离心力填充的数值模拟。a–f) 在超重力加速度条件下（从a) 1 g到f) 1000 g），PDMS模板中的应力分布（左侧色标，以MPa为单位）和PDMS沟槽内空气体积分数（右侧色标，从0到1）的演变，展示了随着超重力增加，空气-液态金属界面和应力分布的变化。![]()
图5. 超重力加速度和PDMS厚度对液态镓在PDMS纳米沟槽阵列中填充效果的影响。a–f) 3D数值模拟结果展示了在不同超重力加速度下（从a) 1 g到f) 600 g）液态镓-空气界面的变化。b, g–i) 在100 g加速度下，不同PDMS基底层厚度（b) 100 nm、g) 200 nm、h) 500 nm和i) 1000 nm）对填充行为的影响。文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202416742
