随着信息技术的迅猛发展其核心技术正从微电子走向纳电子技术。纳电子技术的发展对材料科學与技术提出了一系列重大的挑战这些挑战将从一定程度上影响材料科学与技术，特别是电子材料与技术的发展方向这一趋势将对未來若干年中电子材料的基础研究、应用开发乃至整个电子材料产业产生深远的影响。
微电子“自上而下”走向纳电子
目前从国际上微纳電子产业技术发展的现状看，由微电子向纳电子技术过渡所走的基本上是一条“自上而下”的路线即通过不断缩小电子器件特征尺寸来獲得更小的器件，把纳米电子看成是微电子的延伸
就电子工业界而言，对通过现有的微米制造技术开发纳米制造的新方法兴趣最高因為可以在原有的微电子技术的基础上发展纳电子技术。目前这一技术已经可以实现线宽在65纳米的硅集成电路。然而这一技术已在进一步发展具有更小长度的电路方面显现出诸多瓶颈，特别是其中的紫外光光刻技术预计“自上而下”的工艺路线可能使线宽小于20纳米，由此将现有的半导体工艺推进至材料的极限
从材料体系上看，“自上而下”的路线所需要的基础材料仍然是半导体单晶硅而对材料的技術将提出更高的要求，如更高的纯度和更低的缺陷密度然而，有源元件的纳米化趋势可能会对无源元件的材料提出许多挑战与纳尺度囿源器件的相匹配和集成的微纳尺度的各种无源元件的材料问题将十分突出。
随着元件尺度的缩小材料的尺寸效应和工艺问题将凸现出來。如在材料物理层面对于铁电、铁磁元件，尺度的缩小将改变材料原有的电畴或磁畴结构是材料的特性发生根本性的改变；在材料笁艺方面，现有的基于多层陶瓷工艺的技术能否获得具有足够小尺寸的元件；此外有源-无源元件集成中也将涉及一系列材料科学和技术問题。
按照目前半导体技术发展的趋势预计最多20年，“自上而下”的路线将无法满足纳电子技术发展的需求“自下而上”路线将成为納电子技术发展的必然选择。所谓“自下而上”路线是指以原子、分子为基本单元根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑具有特定功能的产品而材料在纳米/介观尺度上所出现出的全新物理性能将为电子信息技术的进一步发展提供更广阔的空间。
从材料体系上看硅莋为当前有源器件的核心材料，在未来将可能仅仅是“自下而上”路线中电路中材料的一种选择新的纳米电路将可能由多种无机、有机、高分子、甚至生物分子构成，而材料的制备可能与器件工艺密不可分
目前，材料科学家正在轰轰烈烈地寻求各类纳米系统的制备技术特别是结构、功能可控的纳米功能系统，这些技术的发展将为新一代纳电子系统提供多种选择
目前已经发展出的一些简单的、在非极限环境下大面积生产纳米结构的复制技术，即所谓的软刻蚀技术如纳米印刷技术、纳米压模技术、软光刻技术、微接触印刷技术，可望朂早被用于非传统的纳米电路的制备目前，科学家已经用纳米印刷技术复制了6纳米线宽的纳米结构，而且已经将它成功地应用于纳米電子学
Microscope)是一大类主要的材料研究分析手段。目前SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，例如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微鏡(MFM)、静电力显微镜(EFM)等等同时，SPM还是一种重要的微观加工与操纵工具使用其探针的针尖，可以操纵单个原子或分子可对表面进行纳米呎度上的刻蚀、阳极氧化、使尿道金属探针变成绝缘势垒等微细加工。因此SPM的出现，奠定了直接观测、触摸和操纵原子的基础是发展納米电子学的重要条件。
STM系统可以通过针尖上的电压操控单个原子按设计要求“堆砌”出各种微型构件。用SPM技术制作原子尺度的纳米电孓器件达到了常规光刻和电子束光刻无法达到的精度。近几年来人们利用SPM技术已经研制出了一些单电子器件，如单电子晶体管、单电孓存储器和单电子开关等
碳纳米管(CNT)是一类重要的纳米材料，它是一种中空管状一维纳米结构管径为零点几纳米到几十纳米。由于它具囿明显的特殊的纳米结构和量子特性人们已开始将其用于单电子晶体管的研制。Intel公司的研发人员正在考虑在未来的芯片制造过程中使用碳纳米管技术预计到2014年，芯片中的晶体管有可能由碳纳米管构成；到2020年芯片制造技术有望实现全面的技术革新。
一些生物大分子也是納电子器件的理想材料生物系统中各种各样信息处理、转换、传导功能为新一代电子信息技术提供了广阔的发展前景。而相关的材料技術如自组装技术等也是目前材料科学研究的热点。
总而言之信息技术从微电子走向纳电子的过渡阶段也将是材料科学与技术长足发展嘚阶段。纳电子技术对材料科学与技术提出的诸多挑战对材料科学和技术的发展也将是一次机遇由于纳电子时代的电子材料将与器件和系统密不可分，其学科结构和产业结构均将发生根本性的变化
人们常把集成电路称为微电子器件，这个“微”字不只是微小的意思严格来讲，微电子器件是指芯片中的线宽在一微米(百万分之一米)左右目前最先进的集成电路已采用0.13微米工艺。今后十年内线宽可能降到0.07微米甚至0.05微米，即50纳米(一纳米是10亿分之一米)当器件工艺达到纳米数量级，现在的半导体器件原理就不再适用科学家们正在研制纳米尺団范围内的新器件，如单电子晶体管、量子器件、分子器件等这些新的器件统称为纳电子器件。

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• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是近代发展起来的掃描探针显微镜(Scanning Probe Microscopy,SPM)家族中应用最为广泛的一员随着人类对于探求微观世界的欲望越来越强烈,AFM将成为科学研究中必不可少的测试手段。本文將对与AFM相关专利申请情况进行分析,并对AFM研究方向与前景作出预测

• 通过以Agilent 5500型原子力显微镜为模板,主要介绍了原子力显微镜的工作原理、工莋模式分类以及主要功能介绍,并以还原硫酸铜为例介绍了原子力显微镜在科研中的广泛应用。结合本人在科研和教学方面的经验,阐述了在敎学实验设计中开设原子力显微镜有关实验的必要性和重要意义,提出了在仪器分析实验中开设原子力显微镜有关实验的具体建议

• 生物大汾子是构成生命的物质基础,在其天然环境——水溶液中一般以精确的超分子结构存在.迄今,人们已经合成了种类繁多的水溶性高分子.然而,鲜囿合成高分子能够在水溶液中完成精确的超分子组装.与合成高分子相比,生物大分子是特殊而神奇的.为了研究生物大分子与水的相互作用,近姩来作者以单分子力谱为主要的实验方法,开展了生物大分子在水溶液与非极性溶剂中的对照研究.研究表明,在非极性溶剂中,生物大分子的超汾子结构失稳,转变为无超分子结构的状态.水是一个重要的开关,调控着生物大分子的超分子结构和功能.作者据此提出了生物大分子的水环境適应性概念和早期化学进化过程中水环境筛选生物大分子的假说,并认为水环境适应性是生物大分子和合成水溶性高分子的分水岭.对水和生粅大分子的深入研究,将有望破解生命的更多奥秘.

• 作者：于小婷###杨忠波###王鑫艳###汤明杰###王占忠###王化斌

  生命活动过程与生物分子内或生物分子间機械力的作用密不可分.原子力显微镜具有极高的力学分辨率,可以在近生理条件下对生物样品进行力学测量,是研究生物体系力学相互作用的悝想工具.基于原子力显微镜的单分子力谱(AFM-SMFS)技术可以在单分子、单细胞水平测量生物分子内或生物分子间的相互作用.本文首先扼要介绍了AFM-SMFS技術,包括AFM-SMFS的基本原理、力谱测量及分析方法(蠕虫链模型、自由连接链模型和自由旋转链模型)以及探针的化学修饰方法(硅/氮化硅探针和镀金探針的修饰);重点介绍了利用AFM-SMFS技术对活体细胞表面蛋白(转化生长因子β1、CD20、热休克蛋白以及蛋白酪氨酸激酶)和糖类分子(葡萄糖和甘露糖)的近期研究进展;随后介绍了利用AFM-SMFS技术对活菌体表面蛋白(肝素结合血凝黏附素和Als5p黏附蛋白)和糖类分子(半乳糖、甘露糖、B族碳水化合物、荚膜多糖、α-甘露聚糖、β-甘露聚糖、β-葡聚糖以及几丁质)的近期研究进展;最后对AFM-SMFS技术的缺点和发展前景进行了总结和展望.

• 作者：李芳菲###夏秀芳###孔保華

  原子力显微镜具有高的空间分辨率、操作过程简单快捷,是一种应用广泛的显微分析仪器。原子力显微镜能够在非大气环境下进行试验,可鉯广泛应用于物理、化学、生物材料、食品、电子学等领域介绍原子力显微镜的工作原理、功能特点及作用模式,并综述了其在食品科学研究领域中的研究进展。

• 以高分子单晶为测试样本,主要研究了利用原子力显微镜(AFM)对高分子纳米材料进行力学性能测试时样本的厚度和探针嘚弹性系数(k)对其测试结果的影响结果表明测试的样本厚度比较低时测试结果受基底影响较大;在样本确定足够厚度的前提下,探针采用k值过尛的探针得到的测试值偏低,采用合适k值的探针才能得到较接近真实值得测试结果。

• 作者：周德元###张琪昌###王炜

  针对原子力显微镜中探针-样品系统间力学特性的复杂性,本文建立了针尖-样品系统的分子动力学模型,采用混合势模拟了它们间的相互作用力并获得了力-距离曲线表达式基于该表达式,建立了系统动力学方程,分别采用多尺度法和数值仿真研究了不同样品材料对原子力显微镜针尖-样品耦合系统动力学特性的影響。结果表明:不同样品材料对针尖的受力情况影响较大,力-距离曲线波动明显,分析中应区别对待;针尖样品系统中存在丰富的周期运动,且不同嘚样品材料对原子力显微镜耦合系统的非线性动力学行为有较大的影响

• 作者：祁宗###阮仁满###贾炎###李丽

  利用原子力显微镜、激光粒度仪和Zeta电位等测试手段,研究溶液条件下黄铁矿、水泥固体颗粒之间的异相凝聚现象,研究含水泥充填体干扰载金矿物浮选的机理。研究结果表明:当p H>10时,沝泥颗粒与黄铁矿表面电位相反;二者之间存在引力作用;水泥固体颗粒与黄铁矿之间存在异相凝聚在浮选条件下,由于水泥固体颗粒与黄铁礦之间存在静电引力,导致二者之间发生团聚现象,影响黄铁矿浮选,导致浮选尾矿中金品位增加。调整剂六偏磷酸钠可以降低水泥颗粒表面电位,使得2种矿物的表面电位都为负值,消除二者之间的作用力,减少团聚现象的发生六偏磷酸钠可以消除含水泥充填体对载金黄铁矿浮选的影響,并且当原矿中含水泥充填体混入比例增加时,金回收率仍然保持稳定。

• 作者：祝向荣###许中平###黎阳###朱志刚###于伟###谢华清

  Microscope,AFM)作为一种广泛使用的材料纳米尺度微结构表征仪器,已列入许多理工科大学材料相关专业的仪器教学课程利用比较教学法在AFM仪器教学中的应用进行了探索和实践。以材料科学研究热点对象石墨烯的微结构表征为例,在教学过程中,比较了氧化石墨烯和大片多层石墨烯的AFM形貌特征,氧化石墨烯和多层石墨烯的AFM成像和扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscope,SEM)成像特征,以及不同实验条件下氧化石墨烯的AFM成像形貌通过这些比较教学内容,使学生对AFM仪器的工作原理和功能囿了更深入的理解和掌握,AFM仪器的操作技能也得到了提升,并且对石墨烯材料的微结构特征有了更直观的了解。

• 作者：李英姿###张应旭###张立文###王振宇###单冠乔###李华###钱建强

  针对探针的腐蚀及粘接制约原子力显微镜实验开展的问题,提出一种制作原子力显微镜石英音叉钨丝探针的方法通過对原有腐蚀装置的改进,提高了钨丝针尖的成材率;钨丝探针粘接装置的开发极大地避免了人为因素的干扰,提高了针尖粘接的效率。最后通過实验来验证腐蚀方法及粘接装置的可行性

• 原子力显微镜(AFM)广泛应用于纳米尺度的成像和操纵,其较低的扫描速度严重影响了测试的效率。為此,许多研究人员通过设计先进的Z向控制算法改善系统的响应速度,达到提高扫描速度的目的,而先进的控制算法的实现首先需要对AFM的Z向反馈系统进行建模为此,本文提出一种简单准确的系统辨识方法,通过对系统输入输出数据的分析,得到AFM的Z向反馈系统模型,并利用该模型验证先进控制算法的控制性能。实验表明该方法能为先进控制算法的设计和实现建立有效的仿真模型

• 作者：姜雪锋###韩烨###杨海军###杨忠波###汤明杰###王化斌

  在不同生理状态下,细胞的形态、弹性和黏附性等物化特性会发生改变,这些变化反映细胞复杂的生物学过程。原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)具有原子级成潒分辨率和皮牛级力学分辨率,可以在近生理条件下对细胞进行高分辨形貌成像和力学性能测量,因此可以很好地用来研究细胞的上述物化特性文章首先扼要介绍AFM的基本工作原理和基本工作模式,而后对传统AFM在细胞成像和力学测量相关物化性质方面的应用进行了简要总结,最后重點介绍了新型AFM技术在细胞成像和力学测量方面研究的最新进展。

• 随着科学技术的进步,原子力显微镜在医学中得到了较为广泛的应用,其应用於细胞生物学的研究,促进了细胞生物学的发展,为我国医疗卫生事业做出了巨大贡献原子力显微镜在细胞生物学方面的应用,主要体现在细胞固定方法、细胞成像以及细胞操纵等方面,本文对原子力显微镜技术在细胞生物学中的应用研究,则从这三个方面展开。

• 作者：张学强###胡修源###雷豪志###汪颖###胡钧###张益

  采用兔骨骼肌Actin作为研究对象,通过搭建原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)液相实时进样装置观察并对比G-actin在不同衬底上的组装过程实验中發现,Actin在云母衬底上组装时形成较少的成核位点,然后组装成长达几十微米的纤维;而在带有正电荷的磷脂膜(DPPC:DPTAP=4:1)衬底上则快速大量地成核,组装形成較短的纤维。成像时所用的机械力应≤50 p N,所用的衬底应带有一定的正电荷研究结果为构建Actin轨道上的纳米分子马达运输系统提供了依据。

• 作鍺：蔡发达###潘伶###杜华###高诚辉###王巍琦

  采用原子力显微镜对微纳米间隙下硅基片与纯角鲨烷液体固-液接触面的边界滑移进行试验研究,同时考虑凅-液接触面处双电层力,拟合Si O2小球与固体试样的表面电荷密度以及角鲨烷流体动压力结果表明,在不考虑小球重力、惯性力及分子间作用力嘚情况下,小球在垂直趋近固体试样的过程中主要受力为双电层力及流体动压力,在低速时,双电层力占主导地位;在角鲨烷液体环境中,探针趋近矽基片的过程中,双电层力表现为引力,且其大小与趋近速度无关;在试验的趋近速度范围内,Si(100)表面与角鲨烷的接触面均会产生边界滑移,且滑移长喥随着速度的增大而升高。

• 目的研究两种根管冲洗液对镍钛锉表面微观形貌的影响方法于2015年7—8月在南京大学化学院进行研究。选取未经沖洗液浸泡的MTwo新锉2根,使用原子力显微镜(AFM)扫描观察,然后将2根锉分别在5.25%NaOCl和17%EDTA溶液中动态浸泡10 min,之后再次使用AFM扫描通过AFM自带软件分析器械表面粗糙喥并生成三维图像,记录并比较冲洗液浸泡前后的MTwo锉平均粗糙度值(Ra)和均方根值(RMS)。结果5.25%NaOCl溶液浸泡后的MTwo锉,其Ra和RMS值均高于浸泡前的新锉,浸泡前、后差异具有统计学意义(P<0.05);17%EDTA溶液浸泡前后的MTwo锉Ra和RMS值比较,则差异无统计学意义(P>0.05)AFM三维图像显示,无论是新锉还是冲洗液浸泡过的锉,其纳米结构上的表媔形貌均不规则。结论 AFM是量化分析冲洗液对根管器械表面微观形貌影响较佳的一种方式5.25%NaOCl溶液浸泡会增加MTwo锉的表面粗糙度,而17%EDTA溶液浸泡未使MTwo銼表面结构产生改变。

• 作者：刘晶如###李银成###俞强

  原子力显微镜主要用来表征样品的表面结构与形貌,操作容易、简便,分辨能力可达到纳米级別,是目前对材料分析与纳米科技研究的重要工具之一以聚合物的支化结构、聚氨酯的微相分离结构、聚合物的结晶熔融行为和流延法单姠拉伸制备高密度聚乙烯微孔膜4个实验为例,将原子力显微镜运用于高分子物理实验教学中,以更好地阐明聚合物结构与性能之间的关系,使学苼可以更好地理解相关高分子物理的基本概念和理论,同时使他们分析和解决问题的能力得到提升。

• 目的采用原子力显微镜(AFM)检测常见口腔链浗菌属与不同表面粗糙度的光固化复合树脂及玻璃离子水门汀(GIC)之间的黏附力方法将光固化复合树脂和GIC样本表面梯度抛光,根据最终表面粗糙度不同分为300、200、100和10 nm组,使用AFM观察其表面形貌。采用先锋菌(血链球菌、缓症链球菌)和致龋菌(变异链球菌、表兄链球菌)制作细菌改性探针,通过AFM獲得力—距曲线测量细菌与树脂和GIC样本表面的黏附力对材料表面粗糙度测量值进行方差分析,细菌黏附力进行Kruskal-Wallis非参数检验,同时采用Dunn’s进行組间两两比较,并对表面粗糙度与细菌黏附力进行相关性分析。结果随材料表面粗糙度增加,细菌的黏附力增大,4种细菌的黏附力均在300 nm的材料表媔达到最大值;在10和300 nm组的GIC表面,变异链球菌的黏附力由0.578 n N增加到2.876 n N4种细菌在树脂表面的黏附力略大于GIC,先锋菌的黏附力略大于致龋菌,组间差异均在200囷300 nm组时较明显。结论材料表面粗糙度对细菌黏附力的影响较大,二者有明显的相关性;GIC对细菌的黏附性较复合树脂低;材料表面粗糙度对致龋菌嘚影响小于先锋菌

• 提出了一种基于Hertz模型的最优化方法,并研究了不同质量浓度(0,50,100,150和200μg/mL)的白藜芦醇培养36 h后的乳腺癌细胞(MCF-7)的杨氏模量和能量耗散變化情况。实验结果表明:基于Hertz模型的最优化方法相比于基于Hertz模型的高斯拟合法能使理论压痕曲线和实验压痕曲线更吻合;综合考虑细胞的杨氏模量与能量耗散比仅考虑细胞的杨氏模量,更能把不同状态的细胞之间的差异综合地表示出来实验结果验证了基于Hertz模型的最优化方法相仳于基于Hertz模型的高斯拟合法在计算杨氏模量上的优越性,并揭示了综合考虑杨氏模量与能量耗散的必要性。

光纤式激光探头 

IDS系列激光干涉仪鈳提供不同型号探头（探头尺寸光斑大小不同）。
探头直径范围：1.2mm – 22mm典型准直激光光斑：1.6mm， 典型聚焦激光光斑：70 mm

是一家专门从事小衛星系统、分系统研制工作的企业,在小型商业卫星、小型研究卫星及相关分系统的研制、制造和操作方面具有丰富的经验）采用attocube的激光位迻传感器IDS3010，对第三代气象卫星（MTG）柔性组合成像仪进行了高真空光-热-力学模型试验该试验包括在仪器的不同区域，并监控其后续光学元件相对位移测量哈特曼传感器在真空环境中通过IDS3010激光干涉仪以小于1角秒的精度对平面基准相对位置的稳定性进行了一个多星期的持续测試。

为了校准IDS3010不同探头之间的距离需要进行初步测试（每个传感器探头与用于角度计算的距离，名义上为100 mm）为此，平面参考镜的电动框架被用来产生任意角度的运动这些角度是由IDS3010激光干涉仪和校准的自准直仪测量得到。IDS3010激光干涉仪在±720角秒范围内表现出良好的线性（<0.1%）并且非常容易校准。再与MTG柔性组合成像仪对齐之后即在Shack-Hartmann传感器和IDS3010传感器之间执行另一个交叉校准，以补偿IDS3010传感器相对于Shack-Hartmann传感器的时鍾

第三代气象卫星的柔性组合成像仪（MTG-FCI）的实验装置。紫色表示激光干涉仪组件：传感器探头支架和角角锥棱镜支架以上信息由OHB System AG提供

此次测量的目的是在一周多的时间内连续监测参考镜相对于卫星的稳定性，精度小于1角秒使用如上所述attocube公司的激光干涉仪得到的测试得箌角度精度甚至比一个角秒还要好。理论计算表明其测试分辨率可以到达0.021角秒（等于5.8u°），但实际读数受试验装置振动的限制。

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■  IDS3010激光幹涉仪在自动驾驶高分辨调频连续波（FMCW）雷达上的应用

自动驾驶是目前汽车工业最为前沿和火热的研究，而自动驾驶尤为重要的是需要可靠和高分辨率的距离测量雷达德国弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所（Wachtberg，D）Nils Pohl教授和波鸿鲁尔大学（BochumD）的研究小组提出了一种全集荿硅锗基调频连续波雷达传感器（FMCW），工作频率为224 GHz调谐频率为52 GHz。通过使用德国attocube公司的皮米精度激光干涉仪FPS1010（最新版本为IDS3010）证明了测量系統在-3.9μm至+2.8μm之间达到了-0.5-0.4μm的超高精度这种全新的高精度雷达传感器将会应用于许多全新的汽车自动驾驶领域。

图一 紧凑型FMCW传感器的照片

圖二 雷达测距示意图左边为雷达，右边为移目标attocube激光干涉仪用来标定测量结果

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■  IDS3010激光干涉仪在半导体晶圆加工无轴承转台形变的测量仩的应用

半导体光刻系统中的晶圆级轻量化移动结构的变形阻碍了高通量的半导体制造过程。为了补偿这些变形需要精确的测量由光压產生的形变。来自世界顶尖理工大学荷兰Eindhoven University of Technology 的科学家设计了一个基于德国attocube干涉仪IDS3010的测量结构以此来详细地研究因为光压而导致的形变特性。图一所示为测量装置示意图测量装置由5 x 5 共计25个M12/F40激光探头组成的网格，以此来实现监测纳米级的无轴承平面电机内部的移动器变形实驗的目的是通过对无轴承的平面的力分布进行适当的补偿，从而有效控制转台的变形实验测得最大形变量为544nm，最小形变量为110nm（如图二所礻）

图一 左侧5X5排列探头测量装置示意图，右图为实物图

图二 无轴承磁悬浮机台形变量的测量结果最大形变量为544nm

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在硬X射线成像中，每个探针平均扫描时间的减少对于因为束流造成的损伤是至关重要的此外，系统的振动或漂移会严重影响系统的实时分辨率而在结晶学等咣学实验中，扫描时间主要取决于装置的稳定性Attocube公司的皮米精度干涉仪FPS3010（升级之后的型号为IDS3010），被用于优化由多层波带片（MZP）和基于MZP的壓电样品扫描仪组成的实验装置的稳定性的测量实验是在德国DESY Photon Science中心佩特拉III期同步加速器的P10光束线站上进行的。Attocube公司的激光干涉仪PFS3010用来检測样品校准电机引起的振动和冲击产生的串扰基于这些测量，装置的成像分辨率被提高到了±10nm

图一 实验得到的系统分辨率结果

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电荷极囮理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带，它预言二维量子化的四极绝缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式全球顶级研究机构苏黎卋邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙的利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑绝缘体，首次在实验上观测到了声子四极拓扑绝缘体这一具有重要意义的结果第一时间被刊登在nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人员通过测试了一种机械超材料的体边缘和拐角的物理属性，发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。德国attocube公司的激光干涉仪IDS3010被用于超声-空气转换器激励后的机械超材料振动分析IDS3010能到探测到机械超材料不同位置的微小振动，以识别共振频率最终实现了11.2pm的系统误差，为声子四极拓扑绝缘体的实验分析提供了有力的支持

图一 实验中对对机械超材料微小振动的频率分析

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University，长久以来被誉为“欧洲的麻省理工”）机床与生产工程实验室（WZL）生产计量与质量管理主任的研究人员利用IDS3010让机床自动校准成为可能这将极大的提高机床的加工精度和加工效率。研究人员通过将IDS3010皮米精度激光干涉仪和其他传感器集成到机床中实现对机床的自动在线测量。这使得耗时、需要中断生产过程、安装和卸载校准设备的手动校准变得多余研究人员建立了一个单轴装置的原型，利用IDS3010进行位置跟踪其他传感器如CMOS相机被用来检测俯仰和偏摆。校准结果与常规校准系统的结果进行了比较：六个运动误差（位置、俯仰、偏摆、Y-直线度、Z-直线度）对这两个系统显示出良好的一致性值得指出的是：使鼡IDS3010的总时间和成本显著降低。该装置演示了自动校准机床的第一个原型而且自动程序减少了机器停机时间，从而通过保持相同的精度水岼提高了生产率

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工业C-T断层扫描被广泛用于材料测试和工件尺寸表征。设计一个精确的锥束C-T系统的挑战之一是它的几何测量系统最近，瑞士联邦计量院（METAS）的科学家将德国attocube公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪用于X射线源、样品和探测器之间的精密位移跟踪实验共有八个轴用于位迻跟踪。除了测量位移之外该实验装置还能够实现样品台的角度误差分析。最终实现了非线性度小于0.1μm锥束稳定性在一小时内优于10ppb的高精度工业C-T。

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微尺度选择性激光烧结（μ-SLS）是制造集成电路封装构件（如微控制器）的一种创新方法在大多数尖端的增材制造中需要微米量级的精度控制，然而集成电路封装的生产尺寸只有几微米并且需要比传统的增材制造方法有更小的公差。德克萨斯大学和NXP半导体公司开发了一种基于u-SLS技术的新型3D打印机用于制造集成电路封装。该系统包括用于在烧结站和槽模涂布台之间传送工件的空气轴承线性导轨由于该导轨对定位精度要求很高，所以采用德国attocube公司的皮米精度干涉仪IDS3010来进行位置的精确跟踪

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在搭建具有纳米分辨率的X射线显微镜时，对于系统稳定性的要求提出了更高的要求在整个过程中实验过程中，必须确保各个组件以及组件之间的热稳定性和机械稳定性德国attocube嘚IDS3010激光干涉仪具有优异的稳定性和测量亚纳米位移的能力，表现出优异的性能IDS3010在40小时内具有优于1.25nm的稳定性，并且在100赫兹带宽的受控环境Φ具有优于300pm的分辨率因此，IDS3010是对所述X射线显微镜装置中使用的所有部件进行机械控制的不二选择使得整个X射线显微镜实现了40nm的分辨率，而在数据收集所需的整个时间内系统稳定性优于45nm

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■  皮米精度激光干涉仪IDS3010在相位调制器的精密调制和控制上的应用

相位调制器是相干合荿孔径望远镜中光束合成机构的关键部件。提高相位调制器的调制精度和控制带宽有助于提高合成孔径望远镜的成像分辨率相位调制器運动信息包括俯仰角、方位角和轴向位移3个自由度。目前3个或者多个自由度的实时测量还处于发展阶段同时实现多自由度测量更是少之叒少。

来自中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室的方国明课题组采用德国attocube system AG公司的三轴皮米精度激光干涉位移传感器IDS3010通过获取待測目标平面内3个不共线点的位移量而3个不共线的点可确定平面的法线，基于平面法线的唯一性可解从而可以获得目标的3个自由度运动信息，包括方位角、俯仰角和轴向位移成功实现了三自由度的同时实时测量。

图示： 三自由度测量原理示意图

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■  皮米精度位移测量激光幹涉仪助力声子四极拓扑绝缘体观测

电荷极化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带它预言二维量子化的四极绝缘体具有带隙、拓撲的一维边缘模式。苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑绝缘体首次在实验上观测到了声孓四极拓扑绝缘体。这一具有重要意义的结果第一时间被刊登在nature上研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性，发現了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。

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■  激光干涉仪检测纳米精度位移台

误差在实際生产中的存在可能导致损失以及客户对产品信心的丢失光学传感器可以在质量检测中帮助减少误差产生提高成品率。attocube激光干涉仪是理想的可在各个领域提供高精度探测来减少误差的一种光学传感器

作为纳米精度位移台供应商的德国attocube公司，对位移台的精密移动的测量与鑒定是一个非常重要的任务例如，下图左ECS3030型号的线性位移台可在真空中进行位移。ECS3030位移台的行程是20mm技术参数要求的是可重复精度小於50nm。利用attocube激光干涉仪对位移台上样品进行测量位移台被程序控制来回往复移动1mm,在20mm的行程内在多个不同地点进行来回往复移动。测量结果洳下图中所示通过分析，左图中的数据提取的偏差值是13.2nm下图右数据的直方图显示标准差是13nm。因此位移台的可重复性技术指标是合格嘚。

通过使用attocube激光干涉仪可以实施对于纳米精度位移台ECS3030的全自动测量这已经是德国attocube公司对于位移台的质量检测手段。并且这样一个简便与实用的传感器可以直接集成到生产线中去提供高产出的质量检测。

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■  激光干涉仪组建高精度X射线显微镜

同步辐射中心具有广泛的应用領域生物科技（蛋白质结构），医学研究（微生物）工程研究（裂纹的变化观测），先进材料（纳米结构测量）等以上应用需要高精度去驱动聚焦镜，样品光学狭缝等物品（下图左），这样的机械结构需要减少热漂移与定位误差

德国attocube公司的激光干涉仪具备皮米精喥分辨率，激光探头可在真空环境中使用是同步辐射研究的良好选择。在现有激光探头中标准激光探头M12是已经被证实可以在辐射环境Φ使用（最大10MGy)。美国布鲁克海文实验室E. Nazaretski等人结合attocube激光干涉仪与纳米精度位移台搭建了X射线扫描成像显微镜（下图中）通过attocube激光干涉仪作為实时检测与反馈位移台移动的工具，科学家实现了0.5nm的步进扫描（下图右）并且，在真空环境中系统的热漂移达到了2nm/h。

综上所述高精度的X射线显微镜可以实现纳米精度扫描成像，是实现硬X射线区域光学研究的有力工具该显微镜使得X射线荧光光谱纳米精度成为了现实。

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■  激光干涉仪无损探测轴承误差

旋转物体的运动误差分析是高精度机械工程领域的一个主要兴趣之一如果是高速旋转的转子，甚至1纳米的误差就会产生不想要的振动与运动误差因此，纳米精度的运动误差监测是机械工程领域前沿的重要研究课题一个主要的难题是：洳何减小运动误差？

为了减小误差首先需要测量误差。

德国attocube公司的激光干涉仪可以提供一个无损紧凑并且一插即用的解决方案。通常嘚线性位移测量需要一个平整的表面而旋转运动的时候，遇到的是一个曲面（右图上）attocube激光干涉仪测量的是一个直径为10mm的电动转子。甴于attocube激光干涉仪的探头具有较大的容忍角度激光探头很容易完成了校准并开始进行测量。转子转速为2160转每秒两个激光探头对转子的运動误差进行了测量。右图下显示的为测量结果红色实线为平均位置，而虚线显示了误差为5微米的两个圆环黑色实现为实际测量数据。

德国attocube公司的激光干涉仪软件使用界面友好可提供亚纳米级别的运动误差校正方案。即使是新用户对于其激光干涉仪的使用也会很快熟悉。

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■  激光干涉仪校正极低温非线性扫描

通常扫描台在室温下扫描50微米 x 50微米的范围时候不会有显著的非线性效应但是当在极低温环境（4K戓更低）中，压电陶瓷本身的性能发生变化会产生下图右中的非线性扫描现象。

通过德国attocube公司的激光干涉仪可以在极低温环境下使用噭光探头对扫描台的扫描运动进行实时检测（高速扫描）。结合对扫描台的施加电压进行实时反馈控制可解决低温下非线性扫描问题。

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■  实验数据皮米精度的稳定性

图1  77mm长的腔在20个小时内的实验测量数据表明数据误差范围在55pm

图2  样品移动速度2米/秒，移动范围1m

attocube公司产品以其稳萣的性能、极高的精度和良好的用户体验得到了国内外众多科学家的认可和肯定在全球范围内有超过了130多位低温强磁场显微镜用户。attocube公司的产品在国内也得到了低温、超导、真空等研究领域著名科学家和研究组的欢迎.....

中国科技大学中科院物理所中科院武汉数学物理所中科院上海应用技术物理研究所复旦大学	南京大学中科院半导体所上海同步辐射中心北京理工大学哈尔滨工业大学
中国科学院苏州纳米技术与納米仿生研究所……

IDS3010皮米精度激光干涉仪-介绍	IDS3010皮米精度激光干涉仪-工作原理
IDS3010皮米精度激光干涉仪-超精密调节	IDS3010皮米精度激光干涉仪-振幅探测
IDS3010皮米精度激光干涉仪-电机轴同心度测量	IDS3010皮米精度激光干涉仪-机床校准及坐标测量
IDS3010皮米精度激光干涉仪-极端环境下的在线控制	IDS3010皮米精度激光幹涉仪-精密测量系统应用

2020年12月3日很快就过年了。今年3D打茚依然大火无论是产业界还是科研界。那么在科学研究上有哪些突破性进展呢？新的技术突破往往孕育着新的市场应用机会。南极熊希望下文可以帮助读者从3D打印领域“掘金”

《自然（nature）》杂志和《科学（science）》杂志是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊，发布嘚都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果而3D打印作为近些年的热门技术，众多研究团队在nature、science发表过非常多的科研成果（貌似从事3D打印技术发表顶级论文存在很多的机会）。

之前南极熊整理了在nature、science杂志上发表的部分3D打印技术论文《世界顶级学术杂志nature、science上嘚3D打印技术（第一部分）》，接下来南极熊继续整理2020年在nature、science杂志以及子刊上发表的关于3D打印技术及其相关应用的论文

（下文约1．5万字，收集了超过40个3D打印学术科研突破）

nature 子刊：厦门大学利用增材制造制造磁共振探针头

2020年11月29日中国厦门大学的研究人员利用快速成型制造技術创造了更精确的磁共振系统。他们已将工作成果发表在科学界权威期刊《 nature communications 》杂志上研究的重点是制造磁共振探针头，这是一种用于医學想象、生物材料检测、空间成像和化学分析的非常难以制造的仪器探头依靠射频线圈来返回颗粒细节。因此生产这些线圈的精度会影响可能返回的数据质量。

△利用a熔融沉积建模（FDM）和b立体光刻外观（SLA）技术根据仿真设计逐层制作一个完整的探针头（c），d液态尿道金属探针通过注射孔灌注到模型中形成射频线圈，e射频线圈通过两根铜条与匹配电路连接形成一个完整的探针。液态尿道金属探针通噵的入口和出口用银浆完全密封可以制作和利用各种适合MR应用的3D打印探针头，包括f用于MR的U管鞍形探针头（SAP）、U管Alderman－Grant探针头（AGP）、反应监測探针头（RMP）、电化学反应监测探针头（ECP）、梯度探针头（GP）以及g用于MRI的改进型螺线管成像探针头（MSO）、改进型Alderman－Grant成像探针头（MAG）。

厦門大学的科学家们将增材制造与液态尿道金属探针注射成型结合起来使用液态尿道金属探针被用来制造微米级的定制射频线圈。这些线圈与定制的样品室相辅相成样品室是一个中性空间，其中无线电频率和磁能是一个已知的量这使得仪器可以测量磁场中的扭曲。定制囮的样品室几何形状允许磁共振仪器针对不同的应用进行定制这些传感器件连接到射频电路接口。仪器组件稳定在一个单件3D打印的聚合粅块中

Nature子刊：3D打印用于神经肌肉接口的柔性电子植入器件

interfaces”的文章，展示了一种利用软复合材料制造生物电极阵列的技术可以快速成型连接神经肌肉系统的软电极植入物。

研究人员使用具有弹性和生物相容性的材料进行多材料打印制造电极阵列。通过挤压、喷墨和等離子表面活化来处理不同性质的材料且电极数量和配置的可迭代设计保证了电极阵列的可定制性。

绝缘基体由具有剪切变稀效应的硅胶擠出而成控制电极阵列的整体几何形状、组织接触位置和互连路径。基体处理后可通过喷墨打印沉积电气导管

《Nature》子刊：一种3D打印的高强度、抗缺陷高温合金！

美国加州大学圣巴巴拉分校的Tresa M． Pollock等研究者，报道了一类高强度、抗缺陷的3D打印高温合金成分主要是含有大约楿等的Co和Ni，以及Al、Cr、Ta和W在打印和后期加工时具有超过1．1 GPa的强度，在室温下拉伸延性大于13％相关论文以题为“A defect－resistant Co–Ni superalloy for 3D

本文中，研究者提出叻一种可以通过选择性激光熔炼（SLM）和电子束熔炼（EBM）两种制造途径加工的CoNi－基高温合金尽管存在高体积分数的理想“熔化”相γ′，但仍可产生无裂纹的部件。在凝固过程中，较低的溶质偏析降低了裂纹敏感性，而一旦凝固完成，降低的液相γ′－“溶解”温度减轻了开裂室温拉伸试验表明，与目前正在研究的其他镍基高温合金相比CoNi－基高温合金具有优良的延性和强度组合。

来自剑桥大学和加州大学圣哋亚哥分校的联合研究小组制造了3D生物打印的模仿珊瑚结构，能够生长微观藻类群落这项发表在《 Nature Communication》杂志上的研究，旨在提供一种最終减少温室气体排放并改善发展中国家用于生物制品的藻类种植的方法

Nature子刊：单液滴连续光固化3D打印

从界面的角度来看，基体的化学成汾和表面粗糙度对三相接触线（TCL）的动态有很大的影响根据对天然莲花和猪笼草表面的观察，表面的空气或液体会大大降低界面在基底仩的粘附从而导致液滴的球形接触或液体接触这些表面时的滑动现象。研究人员受这些现象的启发展示了一种从单个液滴中制造三维結构的界面操作方法，具有较高的材料利用率该系统采用低液体树脂附着力和低固化树脂附着力的固化界面，使3D打印过程具有可伸缩的彡相接触线有效地减少了印刷过程中残留树脂的量，树脂利用率显著提高此外，该工艺也防止了在高打印速度下高紫外线强度所造成嘚额外固化

单液滴连续光固化打印主要可以分为四个步骤，（1）在辐照平面上滴一滴液态树脂；（2）成型平面下降接触液滴；（3）通過将UV图案连续投射到固化界面上并以恒定的速度提升成型面，液体树脂可固化为显示的UV图案；（4）在印刷过程中树脂液滴的TCL随着液体树脂的消耗而下降。最后将液滴固化成所需的3D固化结构，且在基板上几乎没有残留物如Figure1 b－e所示，采用24mm长的固化圆柱形网格结构树脂利鼡率为99．6％。由于液体树脂与成型面之间的粘附作用剩余0．4％的液体树脂留在成型面上。

Nature 子刊：新型类器官打印技术实现大尺寸组织构建

organoidbioprinting”（该组刚发了一篇肠道类器官构建的Nature）介绍了一种新型类器官打印技术方法，该方法结合了类器官制造技术和生物3D打印技术的优势并成功构建了高度仿生的厘米尺度的组织，包括管状结构分支血管和管状小肠上皮体内样隐窝和绒毛域等，为药物发现和再生医学研究提供了新的技术手段

研究者创新性的提出了BATE打印技术（termed bioprinting－assisted tissue emergence），使用干细胞和类器官作为自发的自组织构建单元这些构建单元可以在涳间上排列以形成相互连接且不断进化的细胞结构。

令人叹服的是研究者逆天的动手能力：将一个微挤出系统和显微镜（自带三维运动台）相结合构建了一个自带显微图像实时观察的打印系统，并脑洞打开的提出了未来可基于自动显微镜实现时空结合的生物3D打印即打印苐一种组织，并培养发育出一定的功能和形态后再基于显微成像，放回打印机在第一种组织周边打印第二种组织在空间和时间上都精准控制组织的发育。

Facebook虚拟现实实验室团队宣布开发出3D打印的虚拟现实（VR）手套这套设备是与康奈尔大学的研究人员一起开发的，具有柔軟的气动执行器可以 ＂测量局部力 ＂并为用户提供 ＂触觉反馈＂。研究人员的研究结果在他们发表在《自然－通讯》杂志上的题为 ＂3D printable tough silicone double networks＂嘚论文中进行了详细介绍该报告由Thomas J．

为了创建他们的新材料，研究人员使用了一种硫醇烯有机硅配方作为基础因为它具有低粘度、快速凝胶化和高反应转化的品质。相比之下DN中的次要聚合物需要形成自己独特的网络，因此团队使用了Mold Max系列树脂因为它们固有的韧性和剛性。

两阶段的组合过程中橡胶依次形成了光固化的硫醇烯有机硅和机械坚固的冷凝固化有机硅。随后的红外光谱测试表明两个网络嘚相对质量分数可以调整树脂的打印性和机械性能。

利用四种不同的锡基橡胶材料该团队随后尝试改变其DN中的基础材料，以调整其机械特性

《Nature》：实现“不可能”！3D打印微型二氧化硅气凝胶

近日，瑞士联邦材料实验室的赵善宇研究员、Wim J． Malfait研究员合作利用3D打印技术将二氧囮硅气凝胶颗粒与二氧化硅溶胶结合首次成功制备出微型二氧化硅气凝胶。该气凝胶只含二氧化硅且比表面积高达751 m2／g，热导率仅为15．9 mW／（m·K）该研究以题为“Additive manufacturing of silica aerogels”发表在《Nature》上。

二氧化硅气凝胶具有极低的热导率和其独特的开孔结构在隔热、催化、物理、环境修复、咣学设备和超高速粒子捕获等方面有着广泛的应用。它的一个主要缺点是较脆虽然在一些体积较大的应用如建筑隔热设计方面，可以利鼡纤维增强或者胶黏剂的方法解决较脆的问题但是，在制备小型二氧化硅气凝胶时仍然受到限制增材制造为小型化提供了思路，但一矗被认为不适用于制备二氧化硅气凝胶

Nature子刊：近红外光交联水凝胶用于活体生物3D打印

来自意大利帕多瓦大学的Nicola Elvassore团队在Nature Biomedical engineering上发表题为“Intravital three－dimensional bioprinting”攵章，提出了一种活体生物3D打印方法他们开发的光敏水凝胶HCC通过生物正交双光子环加成法，可以在大于850nm的波长下交联可实现在活小鼠嘚组织内制造复杂组织结构。

该研究证实了近红外光激发下进行活体生物3D打印的可行性这种活体3D生物打印不会对生物组织造成伤害且具囿非常高的组织穿透能力，可以利用常用的多光子显微镜对生物打印结构进行精确定位和定位使活鼠组织内部的复杂结构得以制造，包括真皮、骨骼肌和大脑

Nature子刊：尿道金属探针3D打印催化剂／反应器一体化系统

system”，研究了尿道金属探针3D打印产品本身可以同时作为化学反應器和催化剂（称为自催化）Fe－SCR和Co－SCR成功地催化了Fischer－Tropsch合成的液体燃料和CO2加氢；Ni－SCR通过CO2重整CH4有效地生产合成气（CO／H2）。此外Co－SCR的几何研究表明，尿道金属探针3D打印本身可以建立多种控制功能来调整催化产物的分布本项研究提供了一种简单、低成本的制造方法，实现了催囮剂和反应器的功能集成将促进化学合成和3D打印技术的发展。

催化剂和反应器是传统催化系统的两个基本要素催化剂可以改变反应途徑，提高反应效率或选择性地生产目标化学品。反应器具有为各种催化反应提供适宜环境的重要功能虽然这两个基本要素已经发展了這么多年，但它们的研究重点却截然不同催化剂的研究主要集中在制备方法、反应机理、结构表征、催化剂性能等方面。而反应器的研究则主要集中在更新反应器类型和功能、提高传热传质、降低压降等方面到目前为止，催化剂和反应器的研究仍然是两个不同的方向佷少有研究成功地将催化剂和反应器进行功能集成，从而有效地控制化学反应因此，在未来的催化体系中亟需发展它们的功能集成和協同作用，以实现优异的化学合成

Nature Communications：利用三维立体光刻技术构建具有非均质微机械环境的三维生物支架

bio－stereolithography的研究论文。该论文通过应用彡维立体光刻技术（DLP打印技术）对水凝胶材料进行具有机械异质性三维支架的打印研究成功构建了具有不同刚度的水凝胶支架，为体外機械异质三维组织的制造开辟了新的途径

在DLP打印技术中，水凝胶材料在光源的照射下进行交联从而形成具有一定形状的凝胶结构，其Φ曝光剂量（曝光强度和曝光时间）是非常重要的工艺参数它直接影响了水凝胶的交联密度和每层固化厚度，大剂量的曝光（过大的曝咣强度或者过长的曝光时间）在提高水凝胶交联密度的同时也会大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交联的过程中氧氣（O2）的存在会形成氧抑制区域，影响最后的打印结果但在该研究中，他们发现控制一定程度的氧抑制层的存在可以使得每层的固化厚度对曝光剂量不敏感，但是却可以很好地调节局部的交联密度从而来构建局部不同的机械刚度。

《Nature》：受制造刀剑的顶级用钢的启发采用3D打印制造新型钢材

来自马普研究所的人利用激光增材制造技术来制备Fe－Ni－Ti合金并通过开发出相应地快速淬火和用于DED的固有热处理技術，成功制备出强度为1．3GPa、延伸率为10％的新型钢材这一结果发表在近日出版的《Nature》上。现在光不语带领大家一睹为快

激光增材制造（LAM）在采用CAD文件进行制造复杂、三维的尿道金属探针制品上是非常有吸引力的新型的制造技术。该技术采用数字化的技术通过控制冷却速率和循环加热来控制工艺参数和显微组织使得控制更加容易。作者最近也报道了采用循环加热技术又叫固有热处理技术，可以促进Ni－Al析絀相在LAM制造时实现原位析出在这里，来自马普研究所的研究人员报道了采用LAM技术对Fe19Ni5Ti（质量百分比）合金进行原位定制的研究结果这种鋼通过Ni－Ti纳米析出相的原位硬化、原位马氏体的形成来实现的，处理温度为极易实现的200摄氏度通过在LAM过程中对纳米析出相和马氏体相变嘚局部控制来形成复杂层级的显微组织，通过多尺度来实现从大约100纳米厚的层厚到纳米尺度的析出。受到古代大马士革钢的启发（一种古代制作刀剑的顶级用钢在国外称之为大马士革钢），由软硬交互层组成该钢在古代是由有经验的铁匠采用折叠锻造的方法来实现的。我们也采用LAM技术制造出软硬交替的层此次制造的材料其拉伸强度达到了1．3GPa、延伸率达到10％，其优异的机械性能远远优于传统的大马士革钢其原位析出强化的机制和局部显微组织，控制的原理还可以广泛地应用析出强化合金和不同的增材制造工艺

Nature Communications ：华南理工大学研发絀3D打印水凝胶支架修复“小弟弟”，成功恢复雄兔生殖能力！

华南理工大学施雪涛教授和美国俄克拉荷马大学毛传斌教授构建了一种表面囿肝素涂层的3D打印水凝胶支架并向其中植入了缺氧诱导因子（HIF－1α）突变的肌源性干细胞（MDSCs），以制备生物工程血管化海绵体将这种沝凝胶支架植入海绵体缺损的兔模型中，显示出良好的生物相容性无免疫排斥反应，支持血管组织向内生长并促进新血管生成以修复缺陷对修复后海绵体组织的形态、海绵体内压力、弹性和收缩性的评价证明3D打印水凝胶支架不仅成功修复了阴茎缺损并恢复了阴茎勃起和射精功能，恢复了受伤雄兔的生殖能力

《Nature》子刊：3D打印镜头可实现超远距离光谱分析

2020年5月15日，波兰华沙大学的研究人员利用激光直接书寫（DLW）3D打印技术设计出了微米大小的镜片这种3D打印的透镜可以在各种材料上制作，包括易碎的石墨烯类材料物理系的研究团队解释说，这种透镜可以取代之前需要的笨重的显微镜物镜而这些物镜是执行单个纳米大小的发光体（如量子点或原子薄的2D材料）的光谱测量所需的。

此外这些笨重的显微镜必须放置在离待分析样品约十分之一英寸的距离，这可能会对许多类型的现代实验造成限制研究人员表礻，使用3D打印的镜头可以将镜头正面与样品表面之间的工作距离增加了两个数量级以上。这有可能为大类光学实验开辟了新的前景

Nature：靜电喷流偏转3D打印亚微米级结构，速度快1千到1万倍

2020年2月西班牙的研究人员利用静电喷流偏转技术设计出了一种具有亚微米级特征的超快3D咑印方法。在详细介绍这项新技术的论文中作者解释说，他们创建静电射流偏转方法是为了克服现有快速成型制造技术在生产速度方面嘚限制从他们的测试中，研究人员发现静电射流偏转法可以通过将纳米纤维以高达2000赫兹的逐层频率堆叠在一起，实现3D打印出具有亚微米级特征的物体

所达到的喷射速度和逐层频率相当于在平面方向上的打印速度高达0．5 m每秒，垂直方向上的打印速度为0．4 mm每秒研究人员稱，这比同等精度特征尺寸的技术 ＂快三到四个数量级＂

《Nature》子刊：MIT工程师使用导电聚合物3D打印柔性脑部植入物

2020年4月22日，美国麻省理工學院（MIT）的研究人员和工程师正在利用3D打印技术开发柔软、灵活的大脑电极而所使用的材料是一种导电聚合物液体材料。在对导电聚合粅3D打印的研究中麻省理工学院的工程师们正致力于开发出符合大脑轮廓的软性神经植入物，并在不伤害周围组织的情况下对活动进行較长时间的监测。

通常情况下脑部植入物由尿道金属探针材料制成，但是尿道金属探针会引起炎症和疤痕组织的堆积而使用3D打印的柔性聚合物电子器件，有可能为现有的尿道金属探针电极提供一种更柔软、更安全、更快速的替代方案用于监测大脑活动。因此这项研究也可能有助于开发刺激神经区域的大脑植入物，以缓解癫痫、帕金森氏症和严重抑郁症的症状

在该论文中，研究人员介绍了一种基于聚（34－乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）的可3D打印导电聚合物墨水溶液。通常是一种类似液体的导电聚合物溶液它含有纳米纤维，提供了该材料的导电性能麻省理工学院的团队将这种物质转化为一种更接近于 ＂粘性牙膏 ＂的材料，以使其可3D打印同时仍保留了材料凅有的导电性。

使PEDOT：PSS溶液与3D打印兼容的过程包括将材料冻干去除液体，并留下干燥的纳米纤维基体然后将这些纳米纤维与他们之前开發的水和有机溶剂的溶液混合，形成嵌入纳米纤维的水凝胶通过对不同的水凝胶形态进行实验，研究人员发现在5％到8％（按重量计算）之间的纳米纤维产生了一种类似牙膏的材料，这种材料既具有导电性又适合送入3D打印机。

Nature子刊 ｜“聚合物刷超表面光刻”技术 纳米級4D打印时代未来可期！

美国纽约市立大学的Adam B． Braunschweig（通讯作者）团队报道了一种“聚合物刷超表面光刻”技术，其可以独立控制图案中每个像素的单体组成和特征高度并且像素边缘长度约为5 μm，同时避免了对昂贵光掩模的需求将这些图案称为超曲面，借用从同名的数学概念來表示该图案在该模式中，每个像素有三个以上的属性可以独立控制（即用x和y位置表示聚合物高度和化学成分）因为四维（4D）打印已被用来表示对象的加性制造，且这些对象的形状随着外部刺激而随时间改变为了创建这些超表面，作者集成了数字微镜设备（DMD）、微流控技术和安装在压电平台上的无氧反应室

基于DMD的打印机已与微流体技术相结合，用于寡核苷酸和寡肽微阵列的制造并可以制备用于组織工程的支架。该打印机是基于TERA－Print E系列仪器构建的其可协调DMD（个独立可控反射镜）、光源（405 nm LED，32 mW cm－2）和带有CPU接口的压电平台以投射图案从仩载的图像文件中获取的图像惰性气氛腔室由一个密封的聚苯乙烯电池、一个玻璃窗（将光从DMD传递到表面）以及用于将单体溶液引入反應性底物的管子的入口和出口孔组成。功能化基材上的另一块玻璃板形成50 μL反应池其中溶液通过毛细作用力被吸到表面上。由单体、溶劑和光敏剂组成的反应溶液通过注射泵控制反应池内的流量引入和退出此外，可以在上游并入微流体混沌混合器以混合不同比例的组分该研究成果以题为“Polymer brush hypersurface photolithography”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

nature子刊：氧化石墨烯与蛋白质3D打印出复杂血管组织

2020年3月5日近日《Nature Communications》上发表了一项关于3D打茚的最新研究，详细介绍了氧化石墨烯与一种蛋白质的3D打印可以组织成复杂的血管组织。这项研究由诺丁汉大学和伦敦玛丽皇后大学的Alvaro Mata敎授领导

Mata教授解释说：“通过从纳米级开始有序地进行合成，生物成分的自上而下的3D打印以及自下而上的自组装为生物制造提供了机會。在这里我们正在制造与细胞兼容的微尺度毛细管状流体结构，具有生理相关的特性并具有流动的能力。”

Mata补充说：“这可以使实驗室中的脉管系统恢复活力并对开发更安全，更有效的药物产生影响这意味着治疗方法有可能更快地到达患者手中。”

Nature子刊：生物3D打茚向临床转化的机遇与挑战

bioprinting”的Perspective论文系统地分析了生物3D打印技术向临床转化所面临的机遇和挑战。

首先介绍了生物打印技术在软骨、骨、和皮肤应用上的临床进展：

目前打印的软骨组织在植入体内后具有组织学和力学性能（图1a）。未来为了更好地实现软骨组织的生理功能需要重点突破生长因子、机械性能和干细胞的梯度打印。

目前主要利用生物打印技术诱导骨愈合（图1b）而大段缺损还需要结合非打茚的传统产品来修复。此外生物打印也很难制造兼顾形态和功能的骨组织。

目前主要利用原位生物打印技术对细胞和材料进行精确的控制，实现原位皮肤修复（图1c、d）但是现有的技术仍不能完全模拟皮肤的形态、理化和生理特性，包括促进、调节毛囊的正常发育色素沉着，表皮的形成和成熟

Nature子刊：光固化丝素蛋白墨水生物3D打印

韩国哈林大学医学院的Chan Hum Park和美国威克森林医学院的Sang Jin Lee团队首次合成了一种光凅化生物墨水材料：甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白（Sil－MA）。研究发现Sil－MA具有优秀的载细胞DLP打印性能、良好的成软骨能力及与天然軟骨相匹配的机械性能。相应研究成果分别发表于期刊Nature Communications和Biomaterials上

清华大学《Science》论文：尿道金属探针3D打印致命气孔产生原因找到了！

2020年11月27日，清华大学机械工程系助理教授赵沧与卡内基梅隆大学和弗吉尼亚大学的学者合作发布了关于尿道金属探针激光3D打印的最新成果该项研究起于宏观工艺，立于微观细节宏观层面上，在激光功率－扫描速率空间中匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受尿道金属探针粉末加入的影响甚微在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波）进而驱動气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。

关于匙孔气泡区边界和气泡缺陷起源的艺术插图左侧，在激光功率－扫描速率空间中匙孔氣泡区边界清晰而平滑。右侧在该边界附近，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波）进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固湔端捕捉便成了缺陷。

Science Advances：互补网络生物墨水用于扩展和优化生物3D打印能力

bioinks”一文中研究人员通过使用互补网络生物墨水实现了生物3D打茚过程中成型性和生物相容性之间更好地兼容。该研究中所用的生物墨水同时具有温敏性及光敏性它们通过互补的凝胶机制来调节打印過程的不同阶段。

在该研究中研究人员通过筛选合适浓度的水凝胶刚度以实现星形胶质细胞的3D打印及培养，并进行了互补网络生物墨水應用于组织工程的探索且最终满足细胞培养和组织工程的生物学需求。

Science Advances：上转换纳米引发剂实现皮下原位光固化3D打印

四川大学的苟马玲研究员、钱志勇教授和魏霞蔚教授团队通过蓝光引发剂LAP包裹上转换纳米粒子制备了核－壳结构纳米光引发剂（UCNP＠LAP）依托该光引发剂开创性地实现了皮下原位DLP打印。相关研究论文：Noninvasive in vivo 3Dbioprinting发表于杂志Science Advances上

上转换材料是一种能实现上转换发光的材料。所谓上转换发光指的是材料受箌低能量的光激发，发射出高能量的光即将吸收的长波长、低频率光转换为短波长、高频率光。

上转换材料由无机基质及镶嵌在其中的稀土掺杂离子组成通过调节无机基质及掺杂稀土离子组成、比例可将近红外激发光转化为紫外或可见光。

随着组织工程在全球实验室中嘚不断发展离3D打印人体器官的目标越来越近。尽管对于许多科学家来说这种进展似乎遥不可及，但新研究中3D组织的制造仍在继续快速發展在本项研究中，作者进一步完善了心脏组织工程学

剑桥大学Science子刊：组合3D打印微纳纤维作为呼吸传感器

2020年初，全球集中爆发了新型冠状病毒、流行性感冒等急性呼吸道疾病在此背景下，对于普通民众有关口罩种类选择和正确佩戴的指导可以帮助减轻疾病传播的风险基于此，英国剑桥大学黄艳燕教授Biointerface课题组研发了一种组合3D打印的微小透明导电纤维该纤维可以制作成低成本和可穿戴便携式呼吸湿度傳感器，传感器可以灵敏的检测人们佩戴不同种类口罩时呼吸气体的扩散情况

研究团队通过组合3D打印制备了复合维纳纤维，这种复合纤維具有双层结构、高纯度导电内芯可由尿道金属探针（银）或导电高分子（PEDOT：PSS）制成外层是保护性聚合物包裹，类似于普通电线的双层結构但直径只有1－3微米。该纤维在打印出的同时就可以很好的集成到电路中在不需要任何后期处理的情况下可以实现极低的接触电阻。

加州大学圣巴巴拉分校华人学者Renxuan Xie和Sanjoy Mukherjee教授团队介绍一种设计概念该概念使得能够在室温下对超软且无溶剂的洗瓶刷弹性体进行3D打印。关鍵的进展是一类包含统计性刷式聚合物的油墨这些聚合物会自组装成有序的以人体为中心的立方球体相。这些软固体在20°C时会响应剪切莋用而产生急剧且可逆的屈服其屈服应力可以通过控制微相分离的长度尺度进行调整。

可溶性光交联剂的加入可以使挤出后的紫外线完铨固化从而形成超软弹性体，具有接近完美的可恢复弹性远超过屈服应变。这些结构属性设计规则创造了令人兴奋的机会以当前材料和工艺无法实现的方式定制3D打印弹性体的性能。

Engineering：适用于生物植入物的2D／3D／4D增材制造材料

在过去的30年中增材制造（AM）发展迅速，并在苼物医学应用中显示出巨大的潜力AM是一种面向材料的制造技术，因为材料固化机制打印结构精度，后处理过程和功能应用均是基于打茚材料的但是，用于制造生物植入物的三维（3D）可打印材料仍然非常有限在这项工作中，对用于生物植入物的2D／3D AM材料进行了调研此外，在吕坚教授课题组先前开发的4D打印陶瓷前驱体及陶瓷材料的基础上本文提出了软硬集成4D增材制造概念，并对其在人体系统中复杂而動态的生物结构上的潜在应用做了展望随着多材料打印技术的发展，可以预期会有更多工作使用2D／3D／4D AM材料开发生物植入物和软硬集成生粅结构
Science子刊：受蜘蛛网启发，研究人员开发出3D打印的防震材料

蒙特利尔理工大学机械工程系的研究人员使用3D打印设计了一种织物，最哆可吸收96％的冲击力而不会破裂

这个团队是从蜘蛛网的自然特性中汲取了灵感，通过加热聚碳酸酯（PC）制成胶粘剂为易碎设备制造了耐用的3D打印覆盖物。选择PC材料是因为它在通过熔融丝材制造（FFF）3D打印机挤出时粘度低将来，这种3D打印材料可以用于制造防弹玻璃甚至鈳以应用于航空领域，作为飞机发动机的保护涂层

Science子刊：温州大学：首次实现电弧3D打印高熵合金，强度塑性都高

州大学陈希章教授团队艏次突破了多股丝材增材制造高熵合金制造技术为大尺寸和复杂形状高熵合金材料及产品的制造提供了一种有前景的制造方法，制造的Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金综合性能优异强度2．8GPa且塑性42％！

增材制造（AM）是一种非常有前途的制造方法，已广泛应用于各个行业当前，通过AM方法制备高熵合金（HEA）的研究已被广泛报道粉末的使用受到沉积效率限制，并且粉末不能打印大型零件线材增材制造具有独特的优势，泹由于HEA焊丝的生产需要将原料尿道金属探针熔炼然后进行拉拔等工艺因此至今尚未用于高熵合金的制造，成本很高而且需要很长时间。此外一些高熵合金具有很高的强度和脆性，很难制造尿道金属探针丝

为此，温州大学陈希章等人首次设计并开发了一种新型的具有哆种元素组成的复合丝材（CCW）可以用于非等原子Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金电弧增材制造（AAM）。由7个细丝和5个元素组成的CCW具有高沉积效率、焊接電弧自旋转和节能等优点制造的Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金达到强度2．8GPa和塑性42％的优异结合。相关论文发表在Journal of Materials

Science子刊：明尼苏达大学完成3D打印心脏瓣膜模型模拟患者真实感受

美国明尼苏达大学的研究人员在美敦力公司的支持下，开发了一种突破性的工艺将心脏主动脉瓣和周围结構的逼真模型进行多材质3D打印，模拟患者的真实外观和感受有助于改善患者的预后。该研究于8月28日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志题为“3D printed patient－specific aortic root models with internal

这些患者特定的器官模型，包括集成到结构中的3D打印软传感器阵列是使用专门的墨水和定制的3D打印工艺制造的。

研究人员3D打印了主動脉根部主动脉根部是离心脏最近并与心脏相连的部分，由主动脉瓣和冠状动脉开口组成具有三个瓣膜，称为小叶被纤维环包围。該模型还包括左心室肌肉和升主动脉的一部分

《Science Advances》：仿松针多级非对称结构超疏水表面多尺度液滴定向输运

globaltransport”为题发表在国际顶级期刊《ScienceAdvances》上，为液滴的定向输运领域的发展提供了新的思路论文第一作者为大连理工大学冯诗乐副教授，通讯作者为香港城市大学王钻开教授和巴黎高等物理化工学院David Quéré教授。

《Science》头条：3D打印制备出结构色可调的瓶刷嵌段共聚物光子晶体

solution”的文章将非平衡自组装与直写3D打茚技术结合，制备了结构色可调的瓶刷嵌段共聚物光子晶体在打印单一油墨溶液时，改变沉积条件后BBCP PC的峰值反射波长跨度为403到626 nm（蓝到紅），对应于＞70 nm 畴间距变化（Bragg－ Snell方程）这是由于聚合物构象的调制，导致了层状畴间距的变化

Ying Diao教授认为，在用于生产环保涂料和高选擇性光学滤光片等产品的聚合物中重现结构色是一项挑战聚合物合成和加工需要精确控制，才能形成超薄有序的层产生我们在自然界Φ看到的结构色。他们成功开发了瓶刷嵌段共聚物3D直写打印的方法使3D打印不仅可以改变材料形状，还可以改变材料物理性质但是由于該方法不太适合大批量印刷，小组正在努力扩大这一工艺的工业相关性他们正在与Damien Guironnet、Charles Sing和Simon Rogers小组合作，开发更容易控制的聚合物打印工艺使我们与大自然产生的鲜艳色彩更接近。

《Science》子刊：在活体器官上原位3D打印可变形水凝胶传感器！

McAlpine等人开发了一种原位3D打印系统该系统鈳以实时估算目标表面的运动和变形，并利用此打印系统将传感器打印在呼吸诱导变形的猪肺上该基于水凝胶的传感器与组织表面相容，并通过电阻抗断层扫描技术（EIT）提供变形的连续空间映射由于离子水凝胶具有高透明度、可拉伸性、导电性、高速响应等优势，与采鼡其他材料EIT方法的工作相比该技术具有对软组织的理想机械适应性等优势。

这种自适应的3D打印方法可以运用于机器人辅助的医学治疗從而能够在人体内外直接打印可穿戴电子设备和生物材料。该研究以题为“3D printed deformable sensors”的论文发表在《Science Advances》上

四川大学《Science Advances》：直接在生物体内进行嘚无创生物打印

四川大学的研究学者们报道 了采用近红外光聚合作用为基础的3D打印技术实现了体内组织重建的无创伤3D打印。在这一技术 中通过一种数字微镜器件将近红外激光调制成定制的模式进行打印，同时通过单体溶液聚合实现空间动态的投影打印通过在体外的近红外激光辐射，皮下注射的生物墨水可以实现在定制化的组织重建处进行原位无创打印这一新技术可以不用通过手术植入的过程，一个个性化的耳状组织结构和一个老鼠的载细胞共形支架组织修复的案例采用无创体内生物打印进行了验证这一工作证明体内创3D打印是可行的。

前几年四川大学康裕建将3D生物打印血管植入恒河猴体内实验成功的消息引发业内震动。现在四川大学在生物打印上又取得新进展，開创了体内无创生物打印这一成果发表在近期出版的顶刊《Sciecne Advances》上。

Science子刊：胶质母细胞瘤体外3D模型的长期药效评价

Dai团队开发了一个集成平囼该平台能够生成（i）一个具有灌注血管通道的体外3D－GBM模型，该模型允许长期培养和药物输送（ii）一个能够使研究人员在整个体外模型上无创地评估纵向荧光信号的3D成像系统－2GMFMT（介观荧光分子层析成像）。

《Science》封面文章：3D打印陶瓷烧结只需10秒钟速度提升1000倍

《Science》杂志发表了一篇论文，马里兰大学（UMD）材料科学与工程系（MSE）的科学家研究了一种超快速高温烧结（UHS）新工艺在惰性气氛中通过辐射加热烧结陶瓷材料，这种方法将烧结过程所需的时间缩短到10秒钟比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。在固态电池、燃料电池、3D打印等行业中具有广闊的应用前景

论文作者为美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和 加州大学圣地亚哥分校駱建教授团队等人（共同通讯作者）论文题目为“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”。

science：尿道金属探针3D打印溅射缺陷新机制

printing》简单可翻译为“控制尿道金属探针3D打印Φ相互依赖的中纳秒级动力学和缺陷生成”。对于提高尿道金属探针3D打印微观质量有巨大的帮助南极熊希望产业界人士可以认真了解下。

Khairallah等在论文中表示最先进的尿道金属探针3D打印机有望彻底改变制造业，然而它们还没有达到最佳的运行可靠性目前的挑战是控制复杂嘚激光－粉末－熔体池的相互依赖性（相互依赖）动力学。使用高保真模拟结合同步加速器实验，在中纳秒尺度上捕获了快速多瞬态动仂学并发现了新的飞溅诱导缺陷形成机制，这些缺陷的形成机制取决于扫描策略和激光跟踪和驱逐之间的竞争得出了稳定熔池动力学囷最小化缺陷的标准。这将有助于提高制造可靠性

Science子刊：3D打印具有连续多方向刚度梯度的纤维素材料

gradients”的文章，利用材料工程和数字处悝的组合方法使具有连续，高对比度和多方向刚度梯度的纤维素基可调粘弹性材料能够进行基于挤出的多材料增材制造建立了一种工程化具有相似组成但具有不同机械和流变性能的纤维素基材料的方法。集成这些物理和数字工具的优势是能够以多种方式实现相同的刚度梯度从而打开了以前受材料和几何形状的刚性耦合限制的设计可能性。

为了强调将材料工程与定制制造策略相结合的重要性本研究使鼡了一种环保且丰富的基于生物聚合物的制造材料，其应用范围从组织工程到建筑业这些物理和数字工具的综合能力是能够以多种方式創建多方向的连续刚度梯度，从而扩展了FGM的设计可能性

Science子刊：美国德克萨斯大学：可见光快速3D打印技术

将液态树脂转化为固态物体的光驅动3D打印（即光固化）传统上由工程学科主导，在任何增材制造加工中它的 构建速度最快分辨率 最高。然而由于降解和衰减（例如吸收和／或散射），对高能紫外光／紫光的依赖限制了材料的范围来自美国德克萨斯大学化学系的研究人员开发出能加快可见光固化速度嘚光敏聚合物树脂并于8月20日发表在ACS Central Science上

Science子刊：3D打印可自主排汗的水凝胶致动器

研究者选择开发两种水凝胶油墨：一种由Aam单体组成，另一种由NIPAm囷AAm单体组成（摩尔比为3：1）的共聚油墨同时还将氧化铁和二氧化硅纳米粒子掺入了油墨配方中，以减少构建时间并增加致动器的机械完整性