2022年にネイチャーとサイエンスに掲載された3Dプリントに関する11本の論文

2022年が終わりました。3Dプリント業界は過去1年間に浮き沈みを経験しましたが、全体的には上昇傾向を続けています。世界中で数多くの高品質な3Dプリントの科学研究成果が生まれ続けており、「ネイチャー」や「サイエンス」などの世界クラスのジャーナルに掲載されています。

本稿では、南極熊が2022年に「ネイチャー」と「サイエンス」の主要ジャーナルに掲載された3Dプリントの科学研究論文11本をまとめます。このうち5本の論文には中国の科学者（国内外の大学を含む）が登場しています。2022年の3Dプリント科学研究分野における主要な成果を振り返りましょう。編集漏れがあれば、遠慮なく追加してください。
No.1 複数のドローンが協力して3Dプリントで家を建てる、研究がネイチャーの表紙に登場（詳細紹介）

2022年9月、3Dプリントの研究成果がネイチャー誌の表紙に掲載されました。インペリアル・カレッジ・ロンドンと欧州宇宙機関（Empa）の研究者が、ミツバチにヒントを得て3Dプリントされたドローンの艦隊を製作しました。このドローン群は、印刷と構築を行う BuildDrones と、作業を監視および評価する ScanDrones の 2 種類のドローンで構成されています。アクセスが困難な地域や危険な地域での建築工事に使用されるほか、災害後の救援活動にも役立ちます。

インペリアル・カレッジが提案したシステムは「Aerial-AM」と呼ばれ、生物学的協力メカニズムと工学原理を組み合わせ、複数のドローンを使用してこれを実現します。

ドローンチームによる自律型積層造形の実装には、次のようないくつかの主要技術の並行開発が必要でした。
1) 高精度の材料堆積と印刷品質のリアルタイムの定性評価が可能な航空ロボット。
2) 航空ロボットチームは相互に活動をブロードキャストし、干渉することなくワイヤレスでデータを共有できます。
3) 印刷パス戦略と組み合わせて製造タスクを適応的に決定し割り当てる自律ナビゲーションおよびタスク計画システム。
4) 材料計画の設計または選択、特に型枠や仮設足場を必要としない空中積層製造法に適した軽量で印刷可能なセメント系混合物。

ドローンの性能を実証するため、研究者らはフォームと特殊な軽量セメント材料を使用して、高さ0.18メートルから2.05メートルの構造物を建造した。当初の想定設計図と比較すると、誤差は 5 mm 未満です。

この研究を率いたインペリアル・カレッジ・ロンドンの航空ロボット研究所所長ミルコ・コヴァック氏は、この手法は北極や火星での建物建設や、通常は高価な足場が必要となる高層ビルの修理にも利用できる可能性があると語った。

しかし、ドローンは重い物を運ぶのが難しく、定期的に充電する必要があり、依然として人間の監視が必要であるため、現在のところこの技術には限界がある。しかし研究者らは、プロジェクト中にドローンを自動的に充電することで、こうした問題の一部を軽減したいと考えているという。

第2回自然：体積3Dプリント技術が新たな飛躍を遂げる（詳細紹介）

2022年4月、米国スタンフォード大学のダニエル・N・コングリーブ氏らの研究者らは、4ミリワット未満の連続波励起下での三重項核融合アップコンバージョンの大量印刷を達成した。「体積 3D 印刷のための三重項融合アップコンバージョンナノカプセル」と題された関連論文が Nature に掲載されました。

研究者らは、励起ビームの焦点でのアップコンバージョンを示し、二次プロセスの利点を実証しました (下の a、b)。このアップコンバージョンプロセスでは、消滅した分子の励起子状態を利用して、増感剤の吸収に対する反ストークス発光を生成します。このプロセスの詳細な説明は、下の図 c に示されています。重要なのは、最終的なアップコンバージョンのステップでは、2 つの励起消滅三重項の衝突が必要であり、これが融合して高エネルギー消滅一重項状態を形成し、光開始剤とのカップリングを介して局所的に光重合を駆動するために使用できる青色光を放出することです。このプロセスは、2 つの三重項状態を満たす必要があるため二次の性質を持ちますが、分子による 2 つの光子の同時吸収を必要としないため、光増感剤の吸収係数が高く、2 光子吸収 (2 pA) であるため、比較的低い光量しか必要としません。 3 状態融合アップコンバージョンは、増感剤と消滅剤を適切に選択することで、励起波長と発光波長の両方で簡単に調整できます。

図. トリプレット融合アップコンバージョン 3D プリント<br /> これらの課題に対処するために、研究者らはまずアップコンバージョンしきい値を調整する戦略を開発しました。研究者らは、消滅剤として9,10-ビス((トリイソプロピルシリル)エチル)アントラセン(TIPS-アントラセン)、増感剤としてパラジウム(II)-テトラフェニルテトラフェニルポルフィリン(PdTPTBP)を選択しました。研究者らは、4 ミリワット未満の連続波励起下での体積印刷を実現するために、三重項融合アップコンバージョンを使用しました。シリカシェルをカプセル化し、リガンドを溶解することによって、アップコンバージョンが樹脂に導入されました。さらに、アップコンバージョンしきい値を体系的に制御して単一ピクセルまたは並列印刷方式をサポートする励起子戦略を導入し、印刷電力密度を 2 光子ベースの 3D 印刷に必要な電力密度よりも数桁低くします。

No.3「自然」：伝統の技を覆す！高度に双晶化した硬い微細構造の金属の付加製造！（詳しい紹介）

2022年11月、カリフォルニア工科大学のマックス・A・サコーネ、ダリル・W・イー、ジュリア・R・グリアらは、VAT光重合（VP）を使用して、マイクロスケールの解像度で金属と合金の付加製造技術を生み出しました。3D構造のハイドロゲルを金属前駆体に注入し、焼結して還元することで、ハイドロゲルの足場をミニチュア金属レプリカに変換しました。関連する研究結果は、「ハイドロゲル注入によるマイクロ構造金属の付加製造」というタイトルで、国際的に有名な科学誌「ネイチャー」に掲載されました。

図ハイドロゲル注入添加剤製造プロセスフローの概略図。 a. HIAM プロセスの概略図。 PEGda/DMF ベースの 3D プリントされたオルガノゲル構造は、個々の光活性化合物の浸出、溶媒交換、適切な水性前駆体の注入を経て、ハイドロゲルを注入した対応する構造に変換されました。その後、空気中で焼成すると金属酸化物構造が形成され、ガスが形成されると金属に還元されます。銅金属のHIAMプロセスです。 f、HIAM で製造されるその他の金属には、Ag と Ni、二元合金 CuNi、高エントロピー合金 CuNiCoFe、耐火合金 W-Ni などがあります。 g、八面体格子、一方の端にCu(NO3)2が注入され、もう一方の端にCo(NO3)2が注入されている。焼成および還元後、Cu/Co ゲルは Cu/Co マルチマテリアル h に変換されます。 i、いくつかの異なる注入ゲルの並行焼成。スケールバー: b、c、5 mm、df 1 mm、g、1 cm、h、2 mm、i、2 cm。
HIAM プロセスにより、普遍的なアプローチを使用して微細構造金属 3D 構造を構築できます。ポリマー足場内の金属塩を金属酸化物に変換し、その後金属や合金に還元するには、対象物質の水溶性前駆物質が存在するだけでよく、焼成後に形成される中間酸化物は水素によって還元できます。このアクセスしやすい高解像度のプロセスを使用して金属を製造できることにより、エネルギー材料、微小電気機械システム、および生体医療機器の製造に新たな機会が生まれます。直接注入では、部品が形成された後にのみ材料が選択されることから、金属のマルチマテリアルの製造が可能になります。これまでにない組成の柔軟性により、優れた高温挙動と強化された降伏強度につながる金属間相を持つことが知られている高エントロピー合金や耐火合金などの多成分合金の製造が可能になります。 HIAM は、急成長中の VP 印刷エコシステムに適用できる実用的かつ強力な機能を提供し、産業用途に直接的な影響を与えます。
第4回自然：シンプルな機械で1ミクロンのフィラメントを3Dプリントし、より強力な携帯電話やWiFiへの道を開く（詳細紹介）
2022年10月、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院（SEAS）の研究者チームは、水の表面張力を利用して微小な物体をつかんで操作するシンプルな機械を開発し、ナノ製造の可能性を生み出しました。

この研究は「毛細管力を利用して微小物体を操作する3Dプリントマシン」と題された論文としてネイチャー誌に掲載された。 △毛細管反発力を利用して物体を捕らえ、操作します。

「私たちの研究は、マイクロ構造、さらにはナノ構造の材料を安価に製造できる可能性を秘めています」と、SEASの化学工学のワグナーファミリー教授で物理学教授であり、論文の主任著者でもあるヴィノサン・マノハラン氏は語る。「レーザーピンセットなどの他のマイクロマニピュレーション方法とは異なり、私たちの機械は簡単に製造できます。多くの公共図書館にあるような水槽と3Dプリンターを使用します。」

この機械は、昔の任天堂のカートリッジくらいの大きさの、3Dプリントされたプラスチックの長方形です。装置の内部には交差する溝が彫られています。各水路には、場所によって幅が広くなり、他の場所では幅が狭くなる川のように、広い部分と狭い部分があります。チャネルの壁は親水性であり、水を引き付けます。

研究者たちは一連のシミュレーションと実験を通じて、装置を水中に沈め、溝に数ミリメートルの大きさのプラスチックの浮き輪を置くと、水の表面張力によって壁が浮き輪をはじくことを発見した。フロートがチャネルの狭い部分にある場合、フロートは壁からできるだけ離れて浮かぶことができる広い部分に移動します。

フロートはチャネルの広い部分に入ると、中央に閉じ込められ、壁とフロートの間の反発力によって所定の位置に保持されます。装置を水から引き上げると、チャネルの形状が変化するため反発力も変化します。ブイが広い水路から出発した場合、水位が下がると狭い水路に行き着き、より広い場所を見つけるために左または右に移動する必要が生じる可能性があります。

研究者たちはその後、浮遊物に微細繊維を取り付けた。水位が変化し、フロートが水路内で左右に移動するにつれて、繊維が互いに絡み合います。

その後、チームは繊維を使った3つ目のフロートを追加し、フロートを織り模様で動かすための一連のチャネルを設計しました。彼らは合成素材ケブラーのミクロン単位の繊維を織ることに成功した。この編み方は伝統的な三つ編みに似ていますが、それぞれの繊維が人間の髪の毛の 10 分の 1 の細さになっています。

研究者らはその後、浮遊物自体は顕微鏡でしか見えない可能性があることを示した。彼らは、10マイクロメートルほどの小さなコロイド粒子を捕らえて移動させることができる機械を開発した。機械の大きさは1000倍も大きい。

第5号Nature:南京大学の張勇らがナノ強誘電体ドメインにレーザー3Dプリントを利用することを発明（詳細紹介）
2022年9月、南京大学の研究チームは、新しい非相反フェムト秒レーザー偏光ナノ強誘電体ドメイン技術を開発し、ニオブ酸リチウム結晶内のナノ強誘電体ドメインのレーザー3Dプリントを実証することに成功しました。関連研究は、「フェムト秒レーザーによるニオブ酸リチウム強誘電体ナノドメインの書き込み」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました。論文の責任著者は南京大学現代工学応用科学学院の張勇教授であり、第一著者は徐暁怡博士と学生の王天鑫である。論文執筆は肖敏教授と朱世寧教授の綿密な指導を受け、上海理工大学の顧敏教授と南京大学の呉迪教授が重要な支援を提供した。共同研究者には上海理工大学の方欣源准教授と中山大学の魏敦昭准教授も含まれる。

ニオブ酸リチウムは、優れた伝送スペクトル範囲、非線形光学係数、電気光学特性、圧電特性を備えているため、次世代の 5G/6G 通信およびフォトニックチップにとって重要なキャリアです。特に、ニオブ酸リチウム結晶における強誘電体ドメイン構造の作製は、非線形光学、音響フィルタ、不揮発性強誘電体ストレージなどの分野で幅広い応用が期待されています。

南京大学の研究チームは、1980年代初頭に結晶成長ストライプ技術を用いて、ニオブ酸リチウム結晶に数ミクロン周期の強誘電体ドメインアレイ構造を実現し、擬似位相整合原理を検証し、レーザー周波数変換、量子光源などの分野で周期分極反転ニオブ酸リチウム結晶（非線形フォトニック結晶とも呼ばれる）の幅広い応用を切り開きました。

ニオブ酸リチウム強誘電体ドメインデバイスの性能をさらに向上させるためには、3次元空間でナノメートル精度で強誘電体ドメイン構造を制御可能に作製することが急務です。しかし、従来の処理技術によって制限されているため、この問題は常に研究者にとって大きな課題となっていました。

今回、南京大学の研究チームは、新しいタイプの非相反レーザー分極強誘電体ドメイン技術を開発し、フェムト秒パルスレーザーをニオブ酸リチウム結晶の内部に集中させて直接書き込み、ナノメートルの線幅を持つ3次元強誘電体ドメイン構造を獲得した。直接書き込みプロセス中、ニオブ酸リチウム結晶は高強度レーザーの作用により多光子吸収を起こし、局所的な結晶温度が上昇します。これにより、ニオブ酸リチウム結晶の局所的な保磁力が低下するだけでなく、結晶内部に有効電界が形成されます。

両者の複合作用により結晶内部に有効領域が形成され、強誘電体ドメインの分極反転を実現できます。同時に、有効電界方向の分布特性により、強誘電体ドメインのレーザー直接書き込みは非相反特性を持つことが決定され、つまり、異なる方向に沿った直接書き込みにより、異なる線幅で強誘電体ドメインの分極と反分極を実現できます。

△フェムト秒レーザーによるナノ強誘電体ドメインの3Dプリント
研究者らはこの特徴を利用して、さまざまな加工技術を設計し、3次元空間での回折限界を破る強誘電体ドメインの線幅制御を実現しました。実験では、線幅100nm～400nmの帯状強誘電体ドメインと、先端幅30nmのくさび形強誘電体ドメインの作成に成功しました。

同時に、強誘電体ドメイン構造の1次元から2次元、3次元への構造変換が実証され、効率的な非線形ビーム成形が実現されました。さらに、この処理方法によって得られた強誘電体ドメインは安定性が良好で、2 年間のエージング処理または 300 ℃ の高温処理後も安定した状態を維持します。

第6回自然：付加製造により高強度・高靭性ナノシート高エントロピー合金を実現（詳細紹介）

2022年8月、マサチューセッツ大学のウェン・チェン教授とジョージア工科大学のティン・チュー教授のチームがネイチャー誌に研究結果を発表しました。彼らはL-PBFを使用してAICoCrFeNi2.1の二相ナノ層高エントロピー合金（HEA）を印刷しました。この合金は、約1.3GPaの高い降伏強度と約14％の大きな均一伸びを示し、他の先進的な金属3D印刷材料を上回りました。

付加製造では、エンジニアリングアプリケーション用のメッシュコンポーネントをレイヤーごとに生成します。レーザー粉末床溶融結合法 (L-PBF) による金属合金の付加製造では、大きな温度勾配と急速な冷却が伴い、これにより微細構造がナノスケールで再精製され、高い強度が実現されます。しかし、レーザー積層造形法で製造された高強度ナノ構造合金は、延性が限られていることがよくあります。ここでは、L-PBF を使用して、約 1.3 GPa の高降伏強度と約 14% の大きな均一伸びの組み合わせを示す AlCoCrFeNi2.1 の二相ナノシート高エントロピー合金 (HEA) を印刷します。これは、他の最先端の積層造形金属合金を凌駕します。

高い降伏強度は、面心立方ナノプレートと体心立方ナノプレートが交互に配置された二相構造の強化効果に由来します。体心立方ナノプレートは、面心立方ナノプレートよりも高い強度と硬化率を示します。大きな引張延性は、等方性の機械的特性を促進するためにほぼランダムな配向を持つマイクロメートルサイズの共晶クラスターに埋め込まれた二相ナノプレートレットの形で印刷された階層的微細構造の高い加工硬化能力に起因します。付加製造された高エントロピー合金の変形挙動に関する機構的洞察は、優れた機械的特性を持つ階層的、二相および多相のナノ構造合金の開発に幅広い影響を与えます。

積層造形法では、鋼、コバルトまたはニッケルベースの超合金、アルミニウム合金、チタン合金、高エントロピー合金 (HEA) などの金属材料において、非常に不均一な粒子形状、亜粒子転位構造、および化学的偏析を伴う微細構造が生成されることがよくあります。共晶高エントロピー合金は、二相層状コミュニティの階層的微細構造を形成できるため、優れた機械的特性を実現する大きな可能性を秘めた、有望な多主元素合金（組成的に複雑な合金とも呼ばれる）のクラスです。しかし、従来の凝固方法では、薄片の厚さは通常マイクロメートルまたはサブマイクロメートルの範囲であり、これにより、これらの薄片の達成可能な強度が制限されます。対照的に、ナノラミネート金属やナノレイヤー金属は高い強度を示しますが、延性は低くなります。これらの材料は薄膜堆積または強塑性変形によって製造されますが、通常は強い塑性異方性を持つ高度にテクスチャ化されたナノ構造につながるため、実際の用途は制限されます。ここでは、レーザー粉末床溶融結合法 (L-PBF) の極端な印刷条件と高エントロピー合金の好ましい組成効果を利用して、図に示すように、AlCoCrFeNi2.1EHEA に埋め込まれた二相ナノシートの形で、平衡状態から遠く離れたユニークな微細構造を生成します。この付加製造された EHEA は、強度と延性の優れた組み合わせと、ほぼ等方性の機械的特性を備えています。

図積層造形法で製造された AlCoCrFeNi2.1 EHEA の微細構造。 a、印刷された冷却ファン、八重格子（柱のサイズは約300μm）、およびギア（左から右へ）。 b、AlCoCrFeNi2.1 EHEAの3次元再構成光学顕微鏡写真。層間境界、溶融プール境界、レーザースキャン軌跡は、それぞれ青い線、オレンジ色の線、赤い矢印で表されます。ビルド方向（BD）は垂直です。 c、印刷された AlCoCrFeNi2.1 EHEA の断面 EBSD IPF 画像。隣接するナノシート共晶クラスターが異なる結晶方位を示す拡大された局所領域を示しています。 BCC ナノシートのより細かい詳細をよりよく視覚化するために、挿入図には、FCC シートを青、BCC シートを赤で示した 2 色の EBSD 位相画像が表示されています。注目すべきは、bcc ナノシートの厚さが非常に薄く、EBSD の解像度限界に近いため、インデックスが不足していることです (二相ナノシート共晶クラスターの形態については補足図 3 を参照)。 d. ナノレイヤー構造の二次電子顕微鏡写真。 e、bcc および fcc ナノプレートレットの明視野 TEM 画像 (それぞれ赤と緑の点で示されています)。挿入図は、それぞれ bcc および fcc のゾーン軸に対して傾斜した PED パターンを示しています (B)。 f、AlCoCrFeNi2.1 EHEA における bcc (左) および fcc (右) ラメラのラメラ厚さ分布。 g、体心立方ラメラ内の変調されたナノ構造を示すHAADF-STEM画像。 h、fcc/bcc界面を中心にした100×78×5 nm3断面の元素分布のAPT図。ナノスケールの Ni-Al リッチ領域と Co-Cr-Fe リッチ領域は、体心立方ラメラ内で化学変動を示します。
第7号サイエンス誌の表紙記事：体積露光硬化3Dプリントガラス微細構造（詳細紹介）

2022年4月、ガラス微細構造の体積光硬化3Dプリントに関する新しい研究「マイクロスケール計算軸リソグラフィーによるシリカガラスの体積付加製造」がサイエンス誌の表紙に掲載されました。カリフォルニア大学バークレー校の研究者によるこの方法はより高速で、より高い光学品質、柔軟な設計、より高い強度を持つ物体を生産できます。

研究者らは、ドイツのフライブルクにあるアルベルト・ルートヴィヒ大学の科学者らと共同で、3年前に開発した3D印刷プロセス（計算軸リソグラフィー、CAL）に基づいて新たなブレークスルーを達成した。より洗練されたガラス構造を実現するために、研究者たちはこの新しいシステムを「マイクロ CAL」と名付けました。

CAL プロセスは、従来薄い層の材料を使用してオブジェクトを構築する既存の 3D 印刷方法とは根本的に異なります。この手法は時間がかかり、表面の質感が粗くなる可能性があります。ただし、CAL ではオブジェクト全体を一度に 3D プリントできます。

研究者らはレーザー光を感光性材料に照射して三次元光触媒を作成し、それを所望の形状に固化させる。 CAL プロセスではレイヤーマークが残らず、滑らかな表面と複雑な形状を実現できます。

ガラスを印刷するために、タイロ氏と彼の研究チームは、感光性接着液に囲まれたガラスナノ粒子を含む特殊な樹脂材料も開発しました。その後、研究者らは印刷された物体を加熱して結合剤を除去し、粒子を融合させて純粋なガラスの固体物体を形成した。
△3Dプリントされたガラス構造を米国の1セント硬貨の大きさと比較。画像提供：ジョセフ・トゥームズ
第8回《科学》清華大学チーム、レーザーナノ3Dプリント技術で新たなブレークスルーを達成（詳細紹介）

2022年10月、清華大学精密機器学部の孫紅波教授と林林漢准教授の研究グループは、光生成高エネルギーキャリアを使用してナノ粒子表面の化学活動を制御して、ナノ粒子間の化学結合の3次元的組み立てを実現する新しいナノ粒子レーザー3Dプリント技術を提案しました。

研究チームは、世界で初めて新しい印刷原理を応用し、多種多様なナノ粒子の複雑な三次元構造と異質構造を実証し、ナノ粒子デバイス化の分野で新たなブレークスルーを達成しました。この技術は、光の回折限界を超える高精度レーザーマイクロナノ加工を実現し、印刷点配列密度は20,000ppiを超え、超高解像度の機能デバイス作製に新たなアイデアを提供します。シカゴ大学のドミトリ・V・タラピン教授もこの技術を高く評価しました。
△光励起化学結合の原理の模式図

この研究結果は「光励起化学結合による半導体量子ドットの3Dナノプリンティング」というタイトルでサイエンス誌に掲載された。

研究チームは、光励起による化学結合という新しい原理を提唱し、さまざまなナノ粒子を原料として3次元ナノデバイスを組み立てる、ナノ粒子のレーザー3次元組み立て技術を実現した。コアシェル半導体量子ドットを例にとると、レーザーを使用して量子ドットを励起し、電子正孔対を生成します。エネルギーレベルのマッチングにより、光生成正孔のトンネル効果と表面移動が促進され、量子ドット表面の配位子の脱離と活性化学部位の形成が促進され、量子ドットの表面化学結合が誘発され、量子ドット間の効率的なアセンブリが実現されます。

△量子ドット3Dナノプリント構造形態と蛍光画像
第9回科学：3Dプリントメタマテリアルマイクロロボット、鄭暁宇教授チーム（詳細紹介）

2022年6月、サイエンス誌はカリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の研究チームによる論文を掲載し、自由に歩行し、障害物を回避し、さらにはジャンプもできる3Dプリントのメタマテリアルマイクロロボットを紹介した。

今回プリントしたマイクロロボットはメタマテリアルを使用し、コインほどの大きさです。ロボットは電源を入れるだけで、複雑な伝動システムを必要とせず、設定されたプログラムに従って自力で動きます。

UCLA工学部助教授で本研究の主任研究者であるシャオユ・ジェン氏は、この新しいアプローチは、複雑な動き、複数の感知様式、プログラム可能な意思決定能力を緊密に統合しており、生物システム内の神経、骨、腱が連携して制御された動きを実行するのと似ていると述べた。

3D プリント技術を使用して特定の格子構造を製造し、異なる格子構造を組み合わせることで、特定の機能を実現できます。例えば、論文で使用されている圧電メタマテリアルは、電界に応じて形状を変えたり移動したりできる複雑な格子材料であり、外力に基づいて電荷を生成することもできます。複数のマイクロロボットユニットが特定の形状に組み合わされ、電源が供給されると各ユニットの形状が変化し、ロボットが移動できるようになります。電源の電圧、周波数などのパラメータを変更することで、WeChat ロボットの動作モードも変更できます。

動画では、研究者らがマイクロロボットの移動モード、旋回モード、ジャンプモード、攻撃を受けた後の旋回、S字カーブの通過、砂利道での歩行などを実演した。

この 3D プリントされたメタマテリアルマイクロロボットはコインほどの大きさで、従来の動作システムを大幅に簡素化し、将来的に幅広い応用価値を持つ可能性があります。例えば、バイオメディカル分野では、体内に小型の「水泳ロボット」を製作することで、マクロスケールで危険な環境を探索することもできます。

第10号科学：フェムト秒2光子レーザーナノ3Dプリンティングにおける新たなブレークスルー（詳細紹介）

2022年12月、香港中文大学のSHIH-CHI CHEN教授とカーネギーメロン大学のYONGXIN ZHAO教授が協力し、金属、金属合金、2次元材料、酸化物、ダイヤモンド、アップコンバージョン材料、半導体、ポリマー、生体材料、分子結晶、インクなどの材料ライブラリを使用して任意の3Dナノ構造を製造する戦略を提案しました。彼らの研究結果は、「超高速レーザーパターニングと運動学的に制御された材料アセンブリによる3次元ナノファブリケーション」というタイトルでサイエンス誌に掲載されました。

ナノファブリケーションのセットアップ、プロセス、結果

従来の 3D ナノスケールプリンターはレーザースポットを集中させて材料を連続的に処理するため、設計の完了までに長い時間がかかりますが、Chen 氏の発明ではレーザーパルスの幅を変えてパターン化された光シートを形成し、軸方向の解像度を損なうことなく数十万のピクセル (ボクセル) を含む画像全体を一度に印刷できます。この製造技術は、フェムト秒投影2光子リソグラフィー（FP-TPL）と呼ばれます。この方法は、従来のナノプリンティング技術よりも1,000倍高速であり、バイオテクノロジー、フォトニクス、ナノデバイスで使用するためのコスト効率の高い大規模ナノプリンティングを可能にする可能性があります。

第11号「科学」：浙江大学の邱建栄チームが超高速レーザー3D直接描画製造で画期的な進歩を達成！（詳しい紹介）
2022年3月、世界トップクラスの学術誌「サイエンス」に「ガラス内の安定したペロブスカイトナノ結晶の3次元直接リソグラフィー」と題する論文が掲載されました。この論文は主に浙江大学のQiu Jianrong教授のチームと浙江実験室光電子知能コンピューティング研究センターの研究専門家Tan Dezhi氏のチームによって完成されました。Qiu Jianrong氏とTan Dezhi博士は、この論文の共同筆頭著者および共同責任著者です。デンマークのオールボー大学の岳元正院士率いるチーム、上海理工大学の顧敏院士率いるチーム、南方科技大学の劉昭軍教授率いるチームからも多大な指導と強力なサポートをいただきました。
近年、ペロブスカイトは光学分野の「新参者」となっています。このナノスケールの半導体材料は、その特殊な発光特性により、ディスプレイや照明などの分野で大きな応用可能性を示しています。異なる構成元素を持つペロブスカイトナノ結晶は、半導体のバンドギャップ幅が異なり、紫外線や青色光の下で異なる色の光を発することができます。研究チームは、慎重な設計と一連の実験を通じて、超高速レーザー 3D 直接描画技術により、無色透明ガラス内に制御可能なバンドギャップと任意の形状を持つ 3 次元半導体ナノ構造を実現できることを発見しました。「レーザーを使用してナノ結晶の発光色を直接変更し、青色光から赤色光への連続調整を実現することは、この分野における私たちの大きな進歩の1つです。これ以前は、連続的に調整可能なマイクロナノ構造を材料に書き込むことはほとんど想像を絶するものでした」とタン・デジ氏は語った。

理想的な超高速レーザー直接描画プロセスを実現するために、研究チームは均一で透明な前駆体ガラスの焼成に成功し、3次元半導体ナノ結晶構造の実現を可能にしました。 Tan Dezhiはさらに、「ナノ結晶とそのデバイスの従来の準備プロセスは複雑であり、準備環境に高い要件があり、費用がかかり、2次元構造のみを構築できます。私たちの技術はガラスで直接書き込み、希望の形状を書き込み、ナノ結晶の3次元構造を実現できます。」

この研究のもう1つのブレークスルーは、超高速レーザーを使用したガラスでの3D直接書き込みによって形成されたペロブスカイトナノ結晶が非常に良好な安定性を示していることです。「ペロブスカイトには安定性が低い欠陥があります。光、熱処理、酸素、水蒸気などは、良好な光電特性を持つペロブスカイト構造から非ペロブスカイト構造に変換されるため、厳密な包装処理を行う必要があります。ナノ結晶の安定性をテストするために、研究チームは準備された材料を強い光にさらし、高温炉で焙煎し、アルコールに浸し、ガラスをガラスのスラグに押しつぶしました。これらの安定性実験は、このようなデバイスが比較的過酷な条件下で長時間使用できることを完全に示しており、これにより、関連するディスプレイと照明機器のサービス寿命が大幅に延長されます。「当社の技術は、ナノクリスタルとその光電子デバイスの準備ステップを削減できます。すべてのプロセスは、コストを大幅に削減し、材料の安定性を改善する有機物を伴わないことを示していますガラスやその他の畑。」とタンデジは言いました。

要約する

上記は、2022年に「自然」と「科学」に掲載された11の3D印刷論文で、科学研究コミュニティの友人が参照するために南極の熊が編集しました。

南極ベア3D印刷研究フォーラムhttps://www.nanjixiong.com/forum-231-1.html

2022年にネイチャーとサイエンスに掲載された3Dプリントに関する11本の論文

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3Dスキャンのリーダー「Zeiss Industrial Metrology」が100周年を祝い、2019年Zeissカレンダーをプレゼント

ポリライトの収益は12億3千万に達しました！陝西省、千億レベルの付加製造産業イノベーションクラスター育成行動計画

NRELは金属積層造形法を用いて潮力タービンのスパーを製造

【詳細解説】LCD技術光硬化型3Dプリンター