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第一作者：Lang Wang
通讯作者：Liaoyong
Wen
通讯单位：西湖大学
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02036-2
多尺度结构在生物系统中无处不在。然而，制造具有可控特征且跨越多个长度尺度的人工结构，特别是达到纳米尺度特征，是非常具有挑战性的，这严重影响了它们的集体性能。本文介绍了一种铝基三维光刻技术，该技术结合了顺序的纳米-微米-宏观压印和多尺度阳极氧化铝模板的阳极氧化处理，以利用各种材料制造定义明确的多尺度结构。高保真度的纳米图案和微米图案得益于表面工作硬化现象，其中纳米图案可以通过阳极化进一步精细调整，以获得高纵横比和可调节的纳米孔。基于这种基于铝的三维光刻技术，精确制造了跨越至少107数量级长度尺度的多尺度材料，包括碳、半导体和金属。通过在不同长度尺度上定制多尺度碳网络，从纳米纤维和微米金字塔到宏观圆顶阵列，本文集成了具有优越和可定制性能的压力传感器和生物传感器。这项工作为按需原型制造多尺度结构和材料提供了一种多功能技术，以探索理想的机械和物理性能。图1| 使用AL-3DLitho技术制造多尺度结构1.与之前关于铝基板上纳米压印和阳极氧化的报道相比，AL-3DLitho方法主要涉及S-NMMI和M-AAO模板的阳极氧化过程。首先，本文一个纳米结构的模具（例如，镍金属）进行纳米压印（图1a）。然后，用一个微米结构的模具在具有纳米图案的铝基板上进行微米压印（图1b）。接着，用一个宏观结构的模具在已经具有纳米和微米图案的铝基板上进行宏观压印（图1c）。通过阳极氧化过程，可以进一步调整S-NMMI图案的纳米结构形态和纵横比（图1d）。本文设计和组装了用于AL-3DLitho的压印步进器和阳极氧化设备。代表性的S-NMMI图案和得到的M-AAO模板通过扫描电子显微镜（SEM）图像得到了确认（图1e,f）。高保真度的纳米和微米图案阵列被发现分布在整个定义明确的宏观图案表面上。1.为探究AL-3DLitho的机制并展示其工作范围，特别是S-NMMI，本文对S-NMMI铝基板进行了仿真和实验分析。最初，根据电子背散射衍射测量结果，本文采用了一种简化的分子动力学（MD）模型来研究铝、金和银的单晶面心立方（fcc）结构中的原子动态和位错演变。结果显示，纳米压印在纳米图案周围引发了局部高应力和剪切应变（图2a）。受纳米压印影响的区域将其初始的fcc结构转变为各种其他结构，导致塑性变形和高密度位错的形成（图2b）。值得注意的是，与纳米压印的金和银相比，纳米压印的铝显示出更高的位错浓度。随着位错的增殖和相互作用，它们形成了复杂的网络，阻碍了进一步的位错运动，从而增加了铝的强度和保持其变形形状的能力。2.本文使用分子动力学（MD）来评估金属在相同应变下保持纳米图案的能力，通过准微压印仿真实验（图2c,d）。研究结果表明，铝在保留纳米图案方面优于金和银。金和银表现出较低的加工硬化率，这促使它们通过孪生和晶界滑移等机制发生塑性变形。这种行为归因于它们较低的层错能和较松散的位错核心，这些因素促进了原子滑移路径的延长。因此，与铝相比，金和银在保持纳米图案方面的能力降低，正如在实验结果中观察到的那样。图3| 使用AL-3DLitho技术制造多尺度材料1.通过将本文的方法与多种沉积技术结合，AL-3DLitho可以制造出具有按需多尺度结构的多种材料（图3a）。首先，可以通过各种物理和化学方法，在M-AAO模板的内部或表面上沉积材料，从而制造出均匀的多尺度材料。例如，使用化学气相沉积法在M-AAO模板表面合成了具有不同尺寸和长度特征的多尺度碳网络；这些网络可以通过溶解M-AAO模板轻松转移到不同的基底上。2.通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）图像以及拉曼光谱（图3b–e）确认了多尺度碳网络，其尺度跨越从约4.4纳米（样品厚度）到约2厘米（宏观尺度）长达107个数量级。类似的策略也可以用于合成多尺度过渡金属二硫化物材料MoS2。通过M-AAO模板和沉积技术，可以控制和调整均匀成分的形态、组成和排列。1.在运动过程中进行健康监测可以早期预警潜在的健康问题，例如尿酸（UA）水平升高可能导致痛风和肾脏疾病。持续的健康监测需要具有小集成尺寸和可定制性能的多功能传感器，这些传感器能够长期可靠地监测身体信号。多尺度材料已被广泛用于制造柔性传感器和可拉伸生物电子设备。然而，将不同长度尺度的机械性质解耦仍然是一个棘手的问题。本文利用AL-3DLitho的高度可定制特性，基于多尺度碳网络制作了压力传感器，以展示结构-属性关系并追求理想的性能。首先，通过解耦三级结构（即纳米纤维、微金字塔和宏观圆顶），研究了多尺度碳网络检测压力变化的能力（图4a-c）。结果表明，基于三级结构的压力传感器的最低检测限低至0.09 Pa，远低于基于单级（仅有微米或纳米）和两级（微米和纳米）结构的传感器以及许多先前报告的压力传感器（图4d）。同时，将纳米纤维引入微金字塔表面，与仅微金字塔相比，在0-1.0 kPa范围内灵敏度提高了约290%（410.60 kPa−1），在1.0-70 kPa范围内提高了693%（25.02 kPa−1）。随着进一步引入宏观范围，在更宽、高度线性（线性R2为0.999）的范围0到150 kPa内观察到53.77 kPa−1的灵敏度。由于多尺度碳网络跨越了107个机械尺度，接触面积和与电极接触的结构数量随着压力变化更加稳定，因此线性范围显著增强。本文的压阻式传感器在交叉力学范围和线性灵敏度方面的表现优于已报道的多尺度结构压力传感器（图4e）。相比之下，随着微金字塔和宏观圆顶引入纳米纤维，压力传感器的响应和恢复时间略有增加。本研究介绍了一种经济高效且高度精确的AL-3DLitho技术，该技术结合了S-NMMI和M-AAO模板的阳极化，以制造高精度的多尺度材料。模拟和实验结果表明，AL-3DLitho是通过铝或其他延展性材料在S-NMMI过程中的表面工作硬化实现的。本文的AL-3DLitho方法可以单独设计和定制纳米结构、微结构和宏观结构的形态和排列，多尺度结构被制造出来，具有纳米级分辨率。通过将AL-3DLitho与低温和高温沉积方法相结合，成功制造了跨越至少107数量级长度尺度的按需多尺度材料，包括碳、半导体和金属材料。通过解耦排列的纳米纤维、微米金字塔和宏观圆顶，本文集成了两个多尺度碳网络，用于具有定制属性的‘片上’多功能传感器。结合机器学习和先进的数据处理方法，本文的AL-3DLitho技术可以加速发现和制造用于新兴光电子和柔性传感应用的全尺寸、精确结构，这些结构具有引人入胜的机械和物理特性。![]()
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