1、研究背景

数百万年来，生物系统通过优化细胞尺寸和利用材料效应来获得优良的机械和物理性能，进化出了最优化的功能。例如，荷叶的微尺度和纳米尺度的双层结构对其高表观接触角和低粘附性方面发挥着重要作用。受这些生物系统的启发，科学家们采用试错逆向工程和计算方法模拟这些复杂结构，以用于光管理、柔性传感、润湿控制、粘附和电催化等各种应用。模仿这些结构主要挑战之一是开发一种制造技术，能够精确控制人造系统在多个长度尺度上的组成、形态和排列，直至纳米级特征，这将决定系统的集体性能。

目前，实现多尺度结构的先进策略包括自上而下、自下而上和混合方法。自上而下的策略，特别是压印光刻，被广泛用于制造各种2D和3D微结构和纳米结构。然而，这些策略仅限于某些低纵横比、基于聚合物的多尺度架构（小于1:1）。尽管已有研究探索了组合微纳压印方法，增材制造（3D打印）在构建多尺度结构方面显示出巨大的潜力，其材料选择更自由，从聚合物、金属、碳和半导体到陶瓷。然而，在样品大小和生产率的可扩展性以及纳米级分辨率的实现上仍面临挑战。即使是高速打印的双光子聚合技术，通常也需要数周时间才能制备出厘米级、亚微米分辨率的木桩结构。

与自上而下的策略相反，纳米粒子组装是一种有前景的方法，可以通过简单的物质或能量转移以及选定纳米级成分之间的化学相互作用来建立宏观形式的层次结构。然而，自组装易受多种参数的影响，如纳米颗粒表面的化学和物理状态以及缺陷水平；且自组装方法本身并不提供精确排列纳米颗粒在多个尺度上分布的方法。因此，尽管自下而上的技术相对便宜，且能较容易控制纳米颗粒的合成，但对于对结构缺陷和杂质容忍度低的多尺度结构，如光学和光电器件，它们有许多局限性。

混合策略通过自上而下的技术制造宏观结构和微观结构，然后以自组织方式在预制结构上构建纳米结构的方法。例如，微结构可以通过变形或光刻在铝基板上制造，纳米结构可以通过自阳极氧化和生长工艺实现，这些已被探索用于光管理、超疏水控制等应用。尽管混合策略在结构操纵和低成本制造之间实现了一定平衡，但多尺度结构中晶胞的纳米级形态和排列仍远不明确。因此，基于当前技术，要准确理解多个长度尺度上的结构与性能关系，以追求理想的机械和物理性能，仍然是一项挑战。

2、研究成果

近日，西湖大学文燎勇特聘研究员报道了一种铝基3D光刻技术，该技术结合了顺序纳米-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。表面加工硬化现象有助于高保真纳米图案和微观图案的形成，其中纳米图案可以通过阳极氧化进一步精细定制，以实现高纵横比和可调谐的纳米孔结构。利用这种铝基3D光刻技术，精确制造了至少107个数量级的多尺度材料，包括碳、半导体和金属。通过在从纳米纤维和微锥体到大圆顶阵列的不同长度尺度上定制多尺度碳网络，集成了具有卓越和可定制性能的压力传感器和生物传感器。这项研究为按需原型设计多尺度结构和材料提供了一种通用技术，以探索理想的机械和物理性能。

相关研究工作以“Aluminium surface work hardening enables multi-scale 3D lithography”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

3、研究内容

研究者的目标是在纳米至宏观的宽长度尺度上，使用各种材料制造出定义明确的结构。为此，研究者开发了一种铝基3D光刻混合技术（AL-3DLitho），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，以实现多尺度材料的制造。利用表面加工硬化现象提高铝的机械性能，确保整个S-NMMI过程中纳米图案和微观图案的高保真度。随后，对S-NMMI图案的纳米图案进行阳极氧化，形成具有高纵横比和可控纳米孔的M-AAO模板。通过将AL-3DLitho技术与多种沉积技术相结合，研究者设计并精确制造了至少107个数量级长度尺度上的均匀和非均匀多尺度材料，包括碳、半导体和金属。

作为验证，通过解耦阵列纳米纤维、微锥体和大圆顶，研究了基于均匀多尺度碳网络的压力传感器，这些传感器具有低检测限（0.09Pa）、宽线性范围（0-150kPa）和优异的稳定性（至少105个循环）。此外，研究者背对背集成了两个多尺度碳网络，充分利用不同长度尺度上多尺度碳网的优势，开发出具有按需定制性能的“片上”压力传感器和生物传感器。

图1. 使用AL-3DLitho制造多尺度结构

图2. AL-3DLitho的机理和工作范围

图3. 使用AL-3DLitho制造多尺度材料

图4. 用于多功能传感的定制多尺度碳网络。

4、结论与展望

这项研究介绍了一种经济高效、高精度的AL-3DLitho技术，通过S-NMMI和M-AAO模板的阳极氧化，以制备高精度多尺度材料。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，表面加工硬化有助于AL-3DLitho。利用AL-3D方法，可以单独设计和定制纳米结构、微观结构和宏观结构的形态和排列，从而以纳米分辨率制造了多尺度结构。通过将AL-3DLitho与低温和高温沉积方法相结合，成功制备了在至少107个数量级的长度尺度上具有均匀和非均匀排列的按需多尺度材料，包括碳、半导体和金属材料。

通过将阵列纳米纤维、微锥体和大圆顶解耦，研究者集成了两个多尺度碳网络，用于具有定制特性的“片上”多功能传感器。除了机器学习和先进的数据处理方法外，这种AL-3DLitho技术还有助于加速发现和制造具有独特机械和物理特性的全尺寸精确结构，为光电和柔性传感等新兴应用领域提供了新的可能性。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-02036-2