期刊：Advanced Materials

IF: 32.086

文章DOI: 10.1002/adma.202208653

【引言】

骨骼，琺瑯和珍珠等天然材料的優異力學性能源于特別的微結構和優異的拓撲結構。傳統工藝制備的材料很難制備上述微納結構，幾乎無法達到天然材料的性能。為了解決這一問題，科學家們提出了超材料（Metamaterials）的概念，即通過增材/減材制造的方式，制備天然材料所具有的微結構和拓撲結構。雙光子聚合技術是一種典型的制備超材料的增材制造技術，該方法已被廣泛用于聚合物材料的制備。但光在含有固體顆粒的聚合物樹脂中會被強烈散射，利用雙光子聚合技術制備具有特殊微結構和拓撲結構的陶瓷材料是困擾學術界和工業界多年的難題。

【成果簡介】

2023年2月的材料領域期刊《Advanced Materials》報道了德國聯邦材料研究與測試研究所（BAM）S?nger等人通過雙光子聚合-燒結的技術路徑制備了具有拓撲結構的陶瓷超材料。作者使用飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory中波長為780 nm的激光光源，制備出了最小線寬為500 nm的復雜拓撲釔穩氧化鋯（YSZ）陶瓷超材料。研究結果表明：密度范圍在1-4 g/cm^?3的YSZ陶瓷超材料，其抗壓強度就可達4.5 GPa。這一力學性能與傳統塊體YSZ陶瓷保持一致。

飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory設備圖

【圖文導讀】

圖1. 通過雙光子聚合和1200℃燒結實現3D增材制造。a) x-y平面內線寬為1 μm的立方體中無畸變晶格俯視圖。b)45°和90°燒（插圖）側視圖。c)放大顯示單個單元。d）CAD模型。

圖2. 陶瓷納米顆粒和用于光子聚合制造樹脂的表征。a)YSZ陶瓷納米顆粒粒徑分布圖。b)陶瓷納米顆粒的透射電鏡表征。c)在添加不同粒徑，不同質量的陶瓷納米顆粒后樹脂透光性能表征。

圖3. 通過飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory雙光子聚合-燒結制備的YSZ陶瓷微納結構。1200℃溫度燒結的a)實心結構和b)最小線寬為500nm的空心結構。c) 1450℃溫度燒結的實心和d) 1200℃溫度燒結的空心Schwarz P曲面體。

圖4. 通過飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory雙光子聚合-燒結制備的YSZ陶瓷微納結構的力學性能。a)在800℃和1200℃溫度下燒結的實心立方體的力-位移曲線。b)經過1200℃或更高溫度燒結后的實心或空心Schwarz P曲面體在相近的外力條件下產生斷裂。

圖5. 各種材料的強度-密度相關性。

【結論】

S?nger等人通過雙光子聚合-燒結的技術路徑制備了具有復雜拓撲結構的陶瓷超材料，拓撲結構的最小線寬可達到500 nm，抗壓強度與傳統的塊體YSZ材料相當。該研究彌補了利用雙光子聚合技術制備陶瓷材料的空白，借助Femtika的飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory將陶瓷超材料的制備精度提高到了亞微米尺度。如下圖所示，Femtika的飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory不僅具有雙光子聚合制備功能，還擁有激光燒蝕和選擇性刻蝕等功能，可廣泛適用于微納機電，生物醫藥，通訊傳感等領域的研究和生產。

圖6. Femtika的飛秒激光微納加工綜合系統-Laser Nanofactory制備的a)微針，b)金屬親疏水表面微結構，c)通訊光纖上的傳感器，d)微納齒輪，e)微納光學結構，f)金屬孔洞，g)基于玻璃的微流控器官芯片，h）可活動鉸鏈，i)微納陶瓷雕像。

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