增材制造技术为快速构建任意复杂3D结构，实现加工过程的低碳环保提供了可能。其中，双光子聚合光刻 (Two-photon Polymerization Lithography, TPL) 是制备微纳结构最有前景的技术之一，具有巨大的应用潜力，然而，TPL的打印分辨率受到材料的结构刚性、光学衍射极限以及曝光邻近效应的限制，直接打印高精度亚波长结构相对困难。虽然受激发射耗尽直接激光写入技术和扩散辅助高分辨率 TPL 方法已被采用来提高分辨率，但是这些方法需要复杂的机械与光学系统和定制的光刻胶。热解收缩可以帮助我们直接获得高分辨率和高精度的纳米级结构，并增强结构的机械性能，已广泛应用于力学超材料等的研究和应用中。

  然而在热解收缩过程中，由于结构底层和衬底之间的粘附力，结构底部很容易因收缩而变形。对实际应用而言，结构变形会导致机械和光学性能不均匀，进而使器件的表现偏离初始设计。虽然通过借助可牺牲支撑结构，如弹簧、脚手架和基座等来支撑主要结构并部分规避这个问题，或者通过增加设计结构的高度以在顶部获得相对均匀的结构，代价是牺牲扭曲的基底并增加打印时间，而且很多结构可能无法实现设计所需的功能。到目前为止，尚无合适的方法来实现整个 3D 打印结构的均匀收缩。

  近日，针对这一挑战，新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology and Design, SUTD）Joel K.W. Yang 教授团队开发了一种基于取放工艺的3D打印微纳结构均匀收缩技术（图1）。在这项研究中，作者使用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）为功能层来实现 3D 打印结构的转移。 PVA 是一种水溶性聚合物，其在使用有机溶剂后处理3D打印结构的过程中不受影响，但它很容易溶解在水中，因此 3D 结构可以很容易地从原始衬底上分离，并被转移到接收衬底上，从而以减小结构基底和接收衬底之间的相互作用力。随后，接收衬底上的 3D 结构被加热并收缩，进而获得原始形状的均匀收缩版本。作者制备了具有各种微米和纳米级特征的3D结构，并在光学和电子显微镜下观察到了均匀收缩，证明该工艺的可行性（图2）。作者还测量了所制备结构的表面粗糙度、表面自由能和粘附力，对比了不同衬底下的热解收缩过程以阐释其中的均匀收缩机制（图3）。最后，该团队采用这项技术实现了光子晶体组成的彩色且不失真的复杂 3D 吉祥物模型（图4）。由于该技术可以轻松控制任何形状、尺寸、位置的3D结构的均匀收缩，因而可以扩展至全彩和任意复杂设计，并应用于光学和光子学中其他需要均匀 3D 微纳结构的研究领域，同时为进一步实现 3D 打印光学元件与其他器件的集成提供了新的解决方案。作者预计在未来的研究中，该技术方案可以进一步简化， 例如，3D微观物体的热解收缩可以在高耐热溶液材料（例如鏻离子液体）中预先进行，从而避免接收衬底的影响。此外，直接加热而无需转移过程的均匀收缩也值得深入探究。该技术及相关衍生技术也适用于其他增材制造工艺，并有助于为多尺度多材料复合结构的加工开辟新的路径。

图4. 具有纳米尺度特征的复杂3D光子晶体的均匀热解收缩。

  原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-41535-9

  下载：Pick and place process for uniform shrinking of 3D printed micro- and nano-architected materials