西湖大学团队研发新型铝基跨尺度3D制造技术，极大提高结构材料加工尺度范围和精度

来源：DeepTech深科技

近日，西湖大学文燎勇特聘研究员团队研发出一种新型铝基跨尺度 3D 制造技术，创新性地结合了纳米-微米-宏观连续压印技术与阳极氧化工艺。

这一方法利用加工硬化原理可以在铝基材料上实现从纳米到宏观尺度的高保真图案制造，并能通过阳极氧化调节纳米孔的形貌和纵横比等，创造出高精度、多尺度 3D 阳极氧化铝结构。

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Nature Materials

通过结合高/低温材料制造方法，该技术成功覆盖了至少 107 个数量级的多种材料跨尺度制造，包括碳、金属和半导体等。

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Nature Materials

这也是第一次尝试通过结合跨尺度压印与阳极氧化的制造方法。该课题组已将这种方法用于各种应用：例如实验表明它可以用来制造高灵敏度的压力传感器，这种传感器可以改进现有的方法，并且可以用作尿酸等生物标记物检测的生物传感器。

总的来说，这项技术具有广泛的应用前景，尤其是在以下几个方面：

首先，用于柔性电子。即用于制造高性能、可定制的柔性传感器，如压力传感器、生物传感器等，从而用于可穿戴设备和健康监测领域。

其次，用于光电集成。即能支持高精度光学元件、光学防伪标志及光子晶体的制造，助力光学和光电子器件的发展。

再次，用于高端制造。为航空航天、国防工业提供高强度轻质结构件的制造新路径。

最后，用于人工智能与智能制造。推动从材料设计到制造的全流程智能化和自动化，进一步提升制造效率和精度。

自回国以来的科研重点：探索高性能的跨尺度结构材料

据文燎勇介绍，微纳制造技术作为现代信息社会的核心支撑技术，已广泛应用于光、电、磁信号交互等领域，成为推动数字化、智能化转型的关键力量。

近年来，随着 5G 通信、半导体芯片、物联网、3D 显示、柔性电子和太空观测等技术的迅猛发展，对能够跨纳米、微米和宏观尺度实现精确制造的技术需求愈发迫切。

传统的微纳制造技术在材料选择、分辨率和大面积制造效率方面均面临瓶颈，尤其是如何在保持高精度的同时实现多材料、多尺度结构的融合和定制设计，成为领域之内亟待解决的重要问题。

比如由中国科学院和北京市联合举办的 2023 年第五届雁栖湖会议发布的“2023 年高端制造前沿十大科学问题”也涉及了如何实现异质异构跨尺度制造？（How to achieve heterogeneous cross-scale manufacturing?）的问题。

正是基于这一背景，文燎勇自回国开始一直希望研发一种能够制造高性能跨尺度结构材料的新技术，以应对现有技术在灵活性、精准性和应用适应性方面的局限。

总的来说，课题的起点源于他们希望设计一种线性、高灵敏、宽响应范围的鲁棒性柔性传感器。

这类传感器的性能核心在于跨尺度结构的精确设计，尤其是压力传感器中如何通过结构优化实现稳定的响应特性。在这一阶段，他们明确了研究目标，并开始探索合适的微纳结构设计。

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Nature Materials

通过初步的仿真和实验，该团队成功设计出了满足目标性能要求的传感器结构参数。

然而，在这一过程中，他们逐渐意识到实现高精度的跨尺度制造是决定传感器性能的关键，也是目前技术中尚未充分解决的难点。

于是，他们决心以这一方向为突破口，开发适用于跨尺度结构的制备方法。在制备高精度模板的过程中，他们遇到了如何在不同压印曲率半径（如金字塔结构）条件下保持纳米结构完整性的难题。

为了解决这个问题，他们尝试过多种策略：比如通过调整压印压力来优化压印工艺参数；改变阳极氧化电压和电解液配方；添加氧化铝保护层以便提高结构稳定性。

这一阶段耗时超过一年，通过不断试验和调整，他们终于突破了这一技术瓶颈，成功制备出满足需求的高精度跨尺度结构模板。

在完成模板制备后，器件的最终加工和性能优化同样充满挑战。例如：化学气相沉积后如何有效的去除阳极氧化铝模板？如何优化双通道检测芯片的设计和结构？如何提升电化学传感器与压力传感器的集成与性能？

这些问题涉及化学、力学和材料学的多学科交叉。通过紧密合作和深入讨论，课题组逐步克服了一个又一个技术难点，最终完成了从结构设计、跨尺度制造到器件制备的全流程突破。

“直击灵魂”的审稿人提问

在论文投稿阶段，他们也曾困于到底该如何回复审稿人提出的一个问题：为什么位错浓度的提升能够导致加工硬化？

这个问题看似简单，但实际上涉及到材料科学的深层机理，需要结合实验数据和理论分析给出令人信服的答案。

而这一问题也暴露了他们在课题初期面临的一个挑战——研究范围极其宽广，涉及多个学科的知识。

从本次研究的微观机理到宏观现象，需要跨越纳米材料的细致加工和力学性能表征，而加工硬化的原理更是涉及金属材料位错运动的复杂物理过程。

审稿人提出的问题对他们的研究是一次巨大的考验，因为当时他们并没有足够的实验设备来直接测量位错的演化过程，更没有团队成员具备分子动力学模拟的经验来从理论上验证观点。

面对这些困难，他们决定从多个层面入手解决这个问题。该团队先是整理了课题的核心逻辑，提出通过实验和理论结合的方式来验证假设。

期间，他们尝试分析加工硬化过程中可能的物理机理，例如位错增殖与相互缠结对材料硬化的贡献，并查阅了大量文献寻找类似问题的解决方法。

然而，仅仅依靠文献是不够的，课题组意识到必须补充真实可靠的实验数据来支持自己的观点。

当时，实验室没有直接表征位错演化的设备。于是，他们主动寻求校外合作，通过与具备先进测试设备的研究团队合作，获得了关键的实验数据。

同时，为了解决分子动力学模拟的空白，该团队与校内的理论模拟团队展开了深入合作。

后者不仅在方法上为他们提供了指导，还帮助他们建立了模型，用模拟结果解释位错的增殖与缠结对加工硬化的作用机制。

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西湖大学-浙江大学联培项目博士生王朗是第一作者，文燎勇担任通讯作者 [1]。

图 | 王朗（来源：资料图）

在应用研究层面，目前的跨尺度结构制备工艺已经较为完善，但仍有进一步优化和扩展的空间。例如，可以在工艺中引入更高效的自动化设备和数字化控制系统，来提升制造效率和制造精度。

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Nature Materials

在基础研究层面，他们计划深入探索材料在跨尺度制造过程中的物理机制和化学机制。例如，其将研究微纳结构中位错浓度提升对力学性能和电子性能的影响。

此外，他们还将研究结构材料在不同尺度下的精确“结构-性能”构效关系，从而有望为新型功能材料的设计提供理论支持。

在人工智能赋能层面，他们计划探索该制造工艺与人工智能技术的结合，例如利用机器学习算法预测和优化不同结构的力学性能、电子特性以及光学响应。

通过建立材料和结构设计的数据库，人工智能技术可以快速筛选出具有最佳性能的多尺度结构，大幅缩短研发周期。同时，由人工智能技术驱动的实时监控与反馈机制可以进一步提升加工精度，实现复杂结构的自适应加工。

预计这种技术组合可以针对不同的场景需求快速获得高性能的柔性传感结构，还将在光学防伪和光电器件跨尺度结构设计和定制化制造上具有广阔应用场景。

此外，目前文燎勇还是西湖微纳科技（杭州）有限公司的联合创始人，该公司主要研发先进微纳加工技术（扫描探针技术、纳米压印技术、激光直写技术等），并能提供整体式微纳加工解决方案（微机电探针、生物芯片、光学增透膜、光学防伪膜等）。

未来，通过与工业界合作，课题组将推动本次技术从实验室阶段向规模化生产转型，使其更广泛地应用于产业中，以满足柔性电子、光学防伪、光电集成领域日益增长的需求。

1.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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