科学家利用水和纸开发出环保的微加工方法

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想象一下，能够像在纸上打印一样轻松且可持续地创建极其微小的结构。这是微加工的前沿——制造微观结构的过程，这些结构对于从计算机芯片到医疗设备等所有设备的运行都至关重要。
传统上，微加工是一种密集的过程，涉及难以安全处理的对环境有毒的化学品。然而，芝加哥大学的科学家们希望改变这一现状。
在他们最近发表在《自然可持续性》杂志上的论文中，田博志教授的实验室开发了一种环境可持续的微加工方法，该方法利用水和天然材料（包括纸）来创建和转移图案。
田说，这一过程从大自然中汲取灵感，例如模仿壁虎自然地粘附和脱离墙壁的方式。
水的新用途
传统的微加工技术利用光刻工艺在微观尺度上创建微小图案，长期以来一直依赖有害化学物质来制造大多数家用和消费电子产品中的集成电路。
然而，芝加哥大学的研究人员发现了一种更加环保的微加工方法，即使用水作为绿色活化剂，而不是传统的有毒剂。
他们的创新技术是对盐辅助光化学合成这一旧工艺的新演绎。新版本利用激光在纸上创建图案，然后可以使用水轻松转移。
田说：“我们发现水可以温和而有效地将微小的图案与其基本材料分离。”
利用这项技术，该团队能够改进将纸中的纤维素转化为导电碳的过程。然后，他们可以通过仔细调整碳的表面并使用刺激物有效促进纳米级材料中的反应，将碳转化为先进的传感器。
这种通过水和激光书写产生的宝贵碳已被证明具有广泛的应用，从先进的传感器到复杂的医疗设备。
田实验室的博士后研究员、论文第一作者杨传旺补充道：“用水代替有毒溶剂是向前迈出的重要一步。”
制造机器
为了进一步改进他们的方法，杨开发了一种名为“卷对卷激光写入器”的创新工具。该设备可自动进行基于激光的写入和图案转移，使该过程更快、更可靠。
杨说：“这台机器的设计和制造大约花了六个月的时间，但它显著提高了我们大规模应用的制造速度。”
尽管研究人员承认他们的方法可能无法取代制造复杂计算机芯片所需的精确技术，但他们对其在其他应用领域的应用持乐观态度，例如用于医疗测试或可穿戴设备的经济实惠的一次性传感器。
田说：“我们认为这对于那些不需要硅芯片的高精度但仍需要高功能的设备特别有用。”
田实验室的研究生李鹏举也参与了该项目，他补充道：“我们的设计提高了超薄医疗设备的制造效率，包括用于心脏和神经刺激和传感的设备。”
通过利用自然的力量和使用简单、环保的材料，该团队的创新方法有望重塑微加工工艺，为决定科技行业未来的绿色技术浪潮做出贡献。
更多信息： Chuanwang Yang 等人，一种用于可持续设备微加工的生物启发式可渗透连接方法，《自然可持续性》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41893-024-01389-5
期刊信息： 《自然可持续性》