近日，武汉光电国家研究中心和光学与电子信息学院熊伟教授团队提出了一种多维度纳米褶皱结构体的超快激光3D打印方法，首次实现了高空间复杂度和结构精细度的三维纳米褶皱结构体的制备。相关成果以 3D Printing of Nano-wrinkled Architectures via Laser Direct Assembly 为题发表于最新一期《Science Advances》期刊。

图1 超快激光诱导纳米体素起皱示意图

褶皱是自然界中最广泛存在的表面结构，人工构建的褶皱结构已被广泛应用于增强物体的表面性能，并在材料表征、微纳制造、智能表面、柔性电子器件等领域展现出巨大的应用前景。现有的起皱方法由于成型原理限制，只能在特定表面和指定区域形成褶皱结构，而自然界中大多数褶皱结构遵循自由曲面的空间分布，目前国际上尚缺乏具备高空间自由度并可按需设计的纳米褶皱结构体的有效制造方法。如何通过控制表面不稳定性，实现具有任意复杂三维空间几何特征的纳米褶皱结构体的成形，具有重要的科学理论和实际应用价值，也是褶皱制造领域的重要挑战。

熊伟教授团队提出了一种自下而上的激光直写组装策略，通过单一材料一步工艺实现了多维度纳米褶皱结构的无掩膜制备，打印出了具有高空间分辨率和几乎任意三维形状的纳米褶皱结构体。该策略利用响应性水凝胶前驱体在超快激光双光子聚合过程前后的溶胀相变，引导体素单元表面的纳米起皱和三维自组织成型。在整个起皱过程中，仅需在单一水凝胶前驱体材料中执行飞秒激光直写步骤，通过激光直写路径规划将纳米褶皱体素单元灵活地组装为一维、二维或三维多层级的纳米褶皱结构体。

图2 超快激光直写诱导纳米褶皱结构自组装

通过调控界面应力失配程度，研究团队实现了多维纳米褶皱结构的可控按需制造和对褶皱特征形态的精确控制，其典型的褶皱结构波长为40 nm。进一步，通过引入结构应力失配，研究团队实现了纳米褶皱结构对材料表面力学性质的微观反常调控，以及褶皱晶格结构体从表面起皱到结构形变转换的仿生动态调节。该研究提出并实现了一种可制备任意多维纳米褶皱结构体的激光微纳增材制造方法，为仿生三维纳米褶皱结构体在柔性电子、组织工程、微光学、微机械和新能源器件等方面的应用奠定了基础。

图3 基于超快激光三维组装技术制备的多种纳米褶皱结构体

该论文第一作者为武汉光电国家研究中心博士生范旭浩，通讯作者为熊伟教授，研究单位为华中科技大学和湖北光谷实验室。该研究工作获得了国家重点研发计划项目、湖北光谷实验室创新基金和中国博士后科学基金的资助，并得到了华中科技大学分析测试中心、武汉光电国家研究中心微纳工艺与表征平台、光学与电子信息学院大型仪器共享平台和机械学院先进制造与技术实验中心的设施支持。