​西湖大学，Nature Materials！

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

数百万年来，生物系统已经根据其细胞单位面积的有益尺寸以及有助于获得良好机械和物理性能的材料效应进化出了优化的功能。受这些生物系统的启发，许多反复试验的逆向工程和计算方法已被用来模拟其复杂结构以用于各种应用，如光管理、柔性传感、润湿控制、粘附和电催化等。

关键问题

然而，人造多尺度结构主要存在以下问题：

1、制造具有可控特征的人造多尺度结构非常具有挑战性

多尺度结构在生物系统中无处不在。然而，制造具有可控特征的人造结构，跨越多个长度尺度，特别是纳米尺度特征，非常具有挑战性，这严重影响了它们的集体特性。

2、现有的技术很难实现可扩展性和分辨率的平衡

3D打印虽然在材料选择上具有较大自由度，但在样本大小、生产率以及实现纳米级分辨率方面仍面临挑战；自组装方法虽然成本较低，但在结构缺陷和杂质的控制上存在限制，这对于要求较高的多尺度结构来说是一个问题。

新思路

有鉴于此，西湖大学文燎勇等人介绍了一种新型的铝基跨尺度3D制造技术，该技术结合了连续纳米-微米-宏观压印和多尺度阳极氧化铝模板的阳极氧化，使用各种材料制造出定义明确的多尺度结构。高保真纳米图案和微米图案是由表面加工硬化现象促成的，其中纳米图案可以通过阳极氧化进一步精细调整，以具有高纵横比和可调纳米孔。基于铝基三维光刻技术，精确制造了长度尺度至少为10⁷个数量级的多尺度材料，包括碳、半导体和金属。通过定制不同长度尺度的多尺度碳网络（从纳米纤维和微金字塔到大圆顶阵列），将压力传感器和生物传感器与卓越且可定制的性能集成在一起。这项工作提供了一种通用技术，用于按需制作多尺度结构和材料的原型，以探索理想的机械和物理特性。

技术方案：

1、开发了用于制造多尺度结构的AL-3DLitho 技术

作者开发的AL-3DLitho技术通过S-NMMI和M-AAO阳极氧化，实现纳米至宏观尺度的多尺度结构制造，具有高保真度和经济高效性。    

2、揭示了AL-3DLitho的原理和工作范围

作者通过分子动力学和有限元法模拟，揭示了铝在纳米压印中的高位错浓度和塑性变形能力，使其在保持纳米结构完整性方面优于金和银。实验确定了AL-3DLitho的工作阈值，优化了多尺度结构制造过程。

3、展示了AL-3DLitho在制造复杂多尺度结构方面的独特能力

作者证实了将AL-3DLitho技术结合多种沉积方法，可制造出具有精确控制形貌和成分的均质和异质多尺度材料结构。

4、制造了基于多尺度碳网络的压力传感器

作者演示了AL-3DLitho技术制造的多尺度碳网络传感器在健康监测中表现出低检测限、高灵敏度和稳定性，能监测运动中的脉搏和尿酸水平，揭示饮食与代谢的关系。

技术优势：

1、开发了铝基3D光刻混合技术

作者开发了一种铝基3D光刻（AL-3DLitho）的混合技术，该技术结合了顺序纳米-微米-宏观压印（S-NMMI）和多尺度阳极氧化铝（M-AAO）模板的形成，可用于制造多尺度材料。

2、首次实现了从纳米、微米到宏观全尺度范围内多种材料的高精度制造

通过结合AL-3DLitho技术与不同的沉积方法，设计并精确制造了长度尺度至少为10⁷个数量级的均质和异质多尺度材料，包括碳、半导体和金属，可广泛应用于光电及柔性传感器等新兴领域。

技术细节    

使用AL-3DLitho制造多尺度结构

本工作开发的AL-3DLitho技术是一种创新的混合制造方法，通过顺序纳米-微米-宏观压印（S-NMMI）和多尺度阳极氧化铝（M-AAO）模板的阳极氧化，实现从纳米到宏观的多尺度结构制造。该技术首先使用纳米结构模具进行纳米压印，接着用微结构模具进行微压印，最后用宏观结构模具进行宏观压印。S-NMMI图案的纳米图案可以通过阳极氧化进一步定制。AL-3DLitho技术的优势在于其高保真度和可调性，能够制造出具有明确形态和纵横比的纳米孔阵列。此外，该方法无需光刻胶涂层或物理蚀刻，是一种经济高效的多尺度结构制造方法。通过这种方法，可以实现纳米结构、微结构和宏观结构的单独制造和定制，为广泛的应用领域提供了新的可能性。

图  使用AL-3DLitho制造多尺度结构

AL-3DLitho的原理和工作范围

进一步地，作者通过模拟和实验分析，揭示了AL-3DLitho技术在多尺度结构制造中的优势。首先，利用分子动力学模型研究了铝、金和银的原子动力学和位错演化，发现纳米压印在铝中引起高应力和剪切应变，导致塑性变形和高密度位错形成。铝表现出比金和银更高的位错浓度，有助于维持纳米结构的完整性。其次，通过有限元法模拟微压印过程，证实了铝基板上纳米图案的塑性变形和形态损伤抵抗力。最后，研究了AL-3DLitho的工作范围，发现通过调整微压印压力和曲率半径，可以控制纳米孔的阳极氧化，进一步优化了多尺度结构的制造过程。这些发现为AL-3DLitho技术在精确制造多尺度结构提供了科学依据。    

图  AL-3DLitho的原理和工作范围

使用AL-3DLitho制造多尺度材料

AL-3DLitho技术结合多种沉积技术，可制造具有定制多尺度结构的材料。通过在M-AAO模板内或表面沉积，可制造均质多尺度材料，如多尺度碳网络和MoS₂，其尺寸跨越10⁷个数量级。此外，该技术还能制造平面内和平面外的异质多尺度材料，例如结合原子层沉积与电沉积制造的TiO₂纳米管和Ni纳米棒二元阵列，以及通过循环交替电沉积得到的Au-Fe超晶格阵列。这些结构的形貌、成分和排列可通过M-AAO模板和沉积技术精确控制，展示了AL-3DLitho在制造复杂多尺度结构方面的独特能力。    

图  使用AL-3DLitho制造多尺度材料

基于多尺度碳网络的多功能传感

利用 AL-3DLitho 高度可定制的特性，制造了基于多尺度碳网络的压力传感器。结果表明，AL-3DLitho技术制造的多尺度碳网络压力传感器在健康监测方面表现出色，具有低至0.09 Pa的检测限和宽线性范围（0-150 kPa），灵敏度高达53.77 kPa⁻¹。通过调整纳米纤维和微金字塔，传感器的灵敏度和响应时间得到优化。此外，多尺度结构还影响了表面润湿性，使得传感器能够根据纳米纤维长度变化在超疏水和亲水状态之间切换，进而影响生物传感器对尿酸（UA）水平的检测灵敏度。在实际应用中，集成的压力和生物传感器能够同时监测运动中的脉搏和UA水平，显示出与标准传感器的高度一致性，并揭示了饮食嘌呤摄入与汗液UA水平之间的复杂关系，证明了定制多尺度碳网络在健康监测和运动管理中的有效性。    

图  用于多功能传感的定制多尺度碳网络

展望

总之，本研究介绍了一种经济高效、精度高的AL-3DLitho技术，该技术涉及S-NMMI和M-AAO模板的阳极氧化，用于制造高精度多尺度材料。模拟和实验结果表明，在铝或其他延展性材料的S-NMMI过程中，表面加工硬化有利于 AL-3DLitho。考虑到纳米结构、微观结构和宏观结构的形态和排列可以通过AL-3DLitho 方法单独设计和定制，因此可以制造具有纳米分辨率的多尺度结构。  

参考文献：

Wang, L., Li, H., Zhao, C. et al. Aluminium surface work hardening enables multi-scale 3D lithography. Nat. Mater. (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41563-024-02036-2

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