Nancy 数不清的铝卷在车间的灯光下闪闪发亮，远远看去像是科技感十足的麦草堆。大型机械臂从上方缓缓降下，抓起其中一卷，将它送到生产线的起点。机器将铝卷展开并切割成一片片标准大小的铝片，就像将“麦草堆”变成了卫生间里的卷纸，每道虚线都被精准地裁剪开。
在汽车生产车间里，不出一分钟，这些铝片被压制成车身的门框，就像盖章一样简单。如果我们把这个“盖章”过程缩小到一亿分之一的尺寸，会发生什么呢？
西湖大学未来产业研究中心、工学院的文燎勇课题组，经过四年的研究，成功开发出了一种新型的铝基跨尺度3D制造技术。他们利用铝在加工过程中产生的硬化效应，首次实现了从纳米、微米到宏观全尺度范围内多种材料的高精度制造。这一技术在柔性电子、光学防伪和光电集成等领域展现出广阔的应用前景。相关研究论文“Aluminium surface work hardening enables multi-scale 3D lithography”于近日发表在Nature Materials杂志上。
大大小小层层叠叠
文燎勇的实验室里，随手就摆着一卷铝。只是和汽车工厂里的不一样，实验室里的铝卷是真的只有卫生间的卷纸那么大。铝卷的不远处，摆着一台课题组定制的机器。10厘米见方的铝片会被送进这里，接受至少3次“盖章”（压印）加工。
实验室里很常见的铝卷
第一层，是纳米级的图案。几千万个直径只有100多纳米的小孔，规律地分布在铝片上。放大看，像在橡皮泥上戳了密密麻麻的针眼。
第二层，叠加微米级的图案。一样是排列规则的小孔矩阵，只是直径从100纳米跳级到了10微米，像在缀满针眼的橡皮泥上摁下几万个手指印，凹陷处仍能清楚地看到第一层的针眼结构。
第三层，继续叠加更大尺寸的图案。像是朝着橡皮泥砸了一拳，拳印里有手指印，手指印里有针眼。
实验室自研铝基跨尺度3D压印设备
有没有发现哪里不对劲？
如果你玩过橡皮泥，可能已经猜到了。如果朝着橡皮泥一拳下去，上一层的手指印肯定砸没了！
那文燎勇课题组是怎么做到层层嵌套的呢？
还是回到橡皮泥。一般情况下，橡皮泥是软的，只能得到最后捏出的形状，但如果这是一块从角落里翻找出的橡皮泥呢？它已经变得硬梆梆的，上面刻画的图案也是很久之前的，这时候再一拳下去，只要力道没有特别大，图案极有可能完好无损。
铝也一样。
这样的材料怎么可以用来压成汽车车身呢？
原来，铝在一些特定情况下会变硬。比如往里掺入其他金属元素，变成铝合金后，强度密度会大大增加。开头说的全铝车身，或是更常见的铝合金门窗，都是这个原理。
还有一种情况是金属的硬化效应。
铝表面纳米压印分子动力学仿真过程以及压印后截面TEM图
简单来说，就是金属材料在加工变形后，力学强度和硬度都会升高，这样便阻碍了金属进一步变形。这种效应在机械工程领域并不是什么新鲜事，但对主要专注于硅基材料的微纳加工领域来说，有点“隔行如隔山”的意思。
“从来没有人想过，要去压印第二层、第三层……”
文燎勇课题组正是利用了铝金属在加工过程中所展现出的硬化效应，确保了一层又一层连续压印过程中，各个尺度的精密结构都能精确地保留下来。
铝基纳米-微米-宏观跨尺度3D压印代表性实物和局部放大SEM图
为什么非“铝”不可
文燎勇称课题组离开“铝”寸步难行，包括此次取得突破的铝基跨尺度3D制造技术。
尽管在200多年前的拿破仑三世眼里，铝是深藏在凡尔赛宫偶尔用来“凡尔赛”一下的稀罕珍宝。但19世纪以来，铝的工业化生产就已经非常成熟，当今中国铝产量已经占据全球一半以上，我们再也不稀罕“铝”了。
铝在生活中有什么用呢？对大多数人来说，每天手握铝的时间可能都长达数个小时，因为多数手机和笔记本电脑的外壳就是铝经过阳极氧化做出来的。
这是一种电化学方法，能使铝的表面发生氧化反应，规则平铺着一层肉眼看不见的纳米孔，具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀等优点。往孔里电沉积金属（金属氧化物）或者吸附染料，最后封孔，就能获得一个不易褪色、不易磨损的彩色手机后背，单色、多色、渐变色都可以。
事实上，在尝试多层压印的过程中，文燎勇首先想到的硬化方法是阳极氧化。
可是，用这个方法硬化，得到的氧化铝膜尽管是硬的，但也是脆的。此时往上压印第二层，铝片会很容易裂开。在这条弯路上绕了一圈后，课题组发现了加工硬化效应。
尽管阳极氧化未在硬化过程中发挥作用，但它在优化纳米结构方面具有显著优势。文燎勇将阳极氧化步骤放在多层压印之后，专门用于调整第一层纳米结构的直径、深度和形貌。通过调配不同成分的电解液，研究团队能够精确控制这些纳米孔的特性。
铝基跨尺度3D结构中纳米结构的阳极氧化调控SEM图
此外，研究人员还通过在纳米孔中填充碳、半导体、金属及高分子等多种功能材料，赋予阳极氧化铝更多的功能特性，使其不仅具有装饰效果，还可实现光电探测、触觉传感和光学防伪等功能。
通过多层压印和阳极氧化创新结合，文燎勇课题组的铝基3D制造技术，可以同时对纳米、微米、宏观多个“图层”进行自定义设计和精细调控，从而在全尺度材料结构制造中展现出极高的灵活性和精确性。
多种代表性同质和异质跨尺度3D结构
“多级压印和阳极氧化相结合才能发挥出最大的优势，也只有铝可以做到，它就是这个天选之子。”文燎勇说。
灵感与应用：智能传感器的未来
那么，这样的制造技术用来做什么合适呢？
“器件。”文燎勇言简意赅。“现在越来越多的智能手环手表，可以测心率、氧饱和、睡眠质量，而实现这些功能的传感器，就是器件的一种。”
文燎勇于2019年9月全职加入西湖大学，并在2020年招收了第一批博士生，王朗正是其中之一。两人的研究目标一致，均致力于开发新型传感器。
博士生王朗
力学传感器，或称压力传感器，特别需要这项技术的支持。为什么呢？
我们以智能手环手表中用来监测心率和血压的压力传感器为例。压力的感知往往与形变有关，如果在简单的平面上施加轻微压力，变化可想而知不会很大；但如果这个平面变成各种各样层层叠叠的结构，压力作用下器件中接触点变多了，敏感性也就变强了。
而高精度的跨尺度制造技术，还能让对结构具有完全不同需求的传感器件集成到一起。
我们可以想象一下章鱼。
章鱼有八条腿，相当于最外层的宏观结构，可以实现运动、抓取的功能；每条腿上排列着吸盘，相当于中间层的微米结构，能够产生吸力；吸盘上分布着特定的细胞，相当于最底层的纳米结构，能够处理触觉和味觉信号。
如果一个器件像章鱼这样，集成从微观到宏观的一系列结构和功能，是不是一件挺酷的事情？
四年磨一剑。文燎勇和王朗用这项技术成功做出了第一款新型的、定制化的传感器。
他们为自己“定制”了一个挑战：在一款能够监测心率的器件中，加入汗液成分监测功能。换句话说，在一款需要防水的器件中，加入需要“吸水”的功能，一对矛盾的需求要如何实现呢？
针对这个应用需求，师徒二人做了一个3D集成系统。名字很长，但也很白描，把三层压印的形状结构以及所用的功能材料都描述出来了——这是一款基于纳米纤维-微米金字塔-毫米半球跨尺度碳网络结构的压力传感器，并且采用类似于荷叶表面的疏水设计，避免汗液聚集而影响检测。
跨尺度3D碳网络结构的压力传感机制
从上面这张图可以看出，接触点遍布压力传感器的角角落落，因此它具备极低的压力检测限，哪怕是微小至0.09帕的压强也能被感知到。因为薄薄的碳层（4纳米）像紧身衣一样紧紧包覆在跨尺度结构表面，因此在至少10万次的循环测试中，这款传感器始终保持出色的稳定性和可靠性。
监测心率的需求实现了，那汗液呢？
文燎勇和王朗又设计了一种类似眼睛角膜结构让汗液能够快速铺开在传感区域。他们还把这两种完全不同的功能结构3D集成在一起——朝向皮肤的一面是疏水的压力传感器，监测运动过程中的心率；反向皮肤的一面则是亲水的，通过微流控通道引导汗液流向传感区，检测其中的尿酸含量等指标，以此来反应人体健康状况。
基于定制化跨尺度3D碳网络结构的心率和汗液集成传感器
这一实验室开发的试验传感器成功实现了连续一周的心率和汗液监测，证明了其在实际生理监测中的应用潜力。
文燎勇说，铝基跨尺度3D制造技术具有高度个性化定制的能力，非常适合与人工智能结合。“针对特定的应用场景和功能需求，让AI先完成结构和材料的智能化设计，再由铝基跨尺度3D制造技术精准实现，从而将柔性电子、光学防伪以及光电集成等诸多领域带入高度智能化和定制化的时代。”
西湖大学文燎勇特聘研究员为论文通讯作者，西湖大学-浙江大学联培项目博士研究生王朗（2020级）为本文第一作者。
特别感谢西湖大学副教授Sergio Andres Galindo Torres博士和西湖大学-浙江大学联培项目博士研究生李杭彤在分子动力学方面做出的重要贡献。
本研究得到了国家自然科学基金、西湖大学未来产业研究中心、西湖大学光电芯片研究专项支持计划、西湖大学光电研究院重点项目、杭州市微观粘度测量与应用创新团队和西湖教育基金会的资助。作者感谢西湖大学微纳加工与测试平台、物质科学公共实验平台和分子科学公共实验平台提供的设施支持和技术援助。分子动力学模拟的计算资源由西湖大学超级计算中心提供。
课题组以铝基3D微纳制造技术为主要手段，设计并定制化制备3D功能结构/材料，研究宏观-微米-纳米尺度下不同结构单元的协同耦合特性，探索其在光电芯片、柔性穿戴、生物传感中构效关系及多功能/高性能器件集成研究。同时，课题组计划在AI逆向设计辅助光学、力学、细胞微环境的结构设计和制造等方向开展探索研究。目前正在招聘博士后和助理研究员，欢迎有浓厚兴趣的有志之士加入团队！
来源：西湖大学
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02036-2
