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利用不同材料實現3D納米打印一直是納米技術領域最大的挑戰之一，也是開發光子、電子和生物醫學設備等新技術的關鍵。香港中文大學（中大）機械與自動化工程學系陳世祈教授及其團隊，與卡內基梅隆大學（卡大）生物科學系招泳欣教授和中大電子工程學系趙鈮教授合作，研發出一種具有材料普適性的3D納米製造平台，首次實現包括金屬、合金、半導體、聚合物、陶瓷、生物材料等多種材料納米結構製造。是次研究以創紀錄的精細度實現用各類材料打印小至20納米的結構，更達到每小時300立方毫米的光圖案化速度，比目前商業領域使用的傳統串行製造系統快三個數量級別。研究成果最近已發表在國際權威期刊《科學》，肯定了其引領納米級3D打印進入新時代的技術突破。

這項工作始於三年前陳教授受邀至卡大演講，期間與招教授一段跨行業思維碰撞的對話促成了兩位研究人員的合作，希望能解決納米和微米製造領域的長期挑戰，打破材料選擇的限制，並以理想的製造速率及成本把精度縮小至10納米量級，使產品更適合實際工業應用。陳教授以發明飛秒雙光子激光打印系統（一種超快納米印刷方法，於2019年獲《科學》刊載）而聞名，而招教授的生物光子學實驗室則主力開發研究細胞和組織中生物和病理過程的新技術。他們決定結合雙方的技術和專業知識來研發更優越的製造方案，為實現複雜的納米設備打開了新的大門。

陳教授表示：「納米技術的一個主要挑戰是用聚合物和貴金屬以外的材料製造複雜的三維 (3D) 結構，這在以前受到光引發化學反應的限制。基於我們團隊發現的飛秒光片狀水凝膠的獨特表面特性和微結構特徵，我們提出了一種由納米反應動力學控制的自組裝過程來替代傳統的光反應。 由於該策略主要依賴於目標材料的內在特性，例如尺寸或親水性，因此可以完全克服傳統方法中被化學性質限制的材料選擇。 接下來，通過在酸中收縮帶圖案的凝膠基底，我們可以輕鬆打破衍射極限。這也是納米合成化學和3D微納加工領域的首次交叉。我們認為，這將為兩個領域開創全新的可能性。」

團隊開發了一種通用策略，可用於製造任意的3D納米結構，材料包括金屬、金屬合金、2D材料、氧化物、金剛石、上轉換材料、半導體、聚合物、生物材料、分子晶體和墨水。研究利用由飛秒光片圖案化的水凝膠作為模板，允許直接組裝材料以形成預先設計的納米結構。通過微調曝光策略、圖案化凝膠的特徵和兩種動力學控制因素，實現了20至200納米的2D和3D結構。為了展示新方法的潛力，他們製造了各種納米器件，包括加密光存儲設備、衍射光學元件和微電極，以呈現其精確度和設計功能。他們製造的光存儲設備不僅刷新了存儲密度的記錄（每立方厘米1.14 petabit，比之前的記錄高出約三個數量級），由於飛秒投影方法的高速特性，同時亦刷新了數據寫入速度的記錄（每秒84 Mbit）。這些結果表明，新方法為跨類別材料的納米製造提供了系統性解決方案，並為複雜納米器件的設計開闢了更多可能性。

陳教授進一步解釋說：「這項工作的真正重要性在於我們同時實現了所有製造業的關鍵指標，即精細度、製造速度和成本。這意味著新方法不僅可以用於製造以前不可能的微型和納米設備，而且由於其高產量和低成本的優點，亦可應用於光子學、健康、汽車甚至航天領域。」

研究團隊未來的目標是使用多種材料構建功能性納米設備，例如納米電路、納米生物傳感器，甚至發光二極管或激光器，適合不同用途。

論文的其他作者包括來自中大的韓飛和谷松韵（共同第一作者）和卡大的Aleks Klimas。全文請參閱https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420。