基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备，同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一，可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法，并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势；然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用，并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力，为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。     

纳米多孔金属制备及其在传感检测领域的应用

纳米多孔金属是一类具有三维孔隙/韧带双连通结构的材料，具备高比表面积、化学稳定、特征结构稳定可调控、可选材料体系众多等特点，已成为电化学催化、储能领域的研究热点。近年来，基于其微纳尺度特征尺寸及金属特有的表面等离激元效应，纳米多孔金属已展现出在传感及检测应用领域的巨大潜力。文章讨论了纳米多孔金属的各类制备方法的优缺点，并简要介绍了金属表面等离激元材料及其在检测、致动、传感领域的典型应用。     

飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

蓬勃发展的微纳米加工前沿技术——激光微纳制备

正微纳结构化材料是指在功能材料中引入微纳米尺度结构,以提升功能材料性能和拓展其新功能.功能结构的微纳米化不仅意味着能源与原材料的节省,而且带来多功能的高度集成和生产成本的大大降低.实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术,从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术到纳米技术,微纳米加工技术获得     

磁性微纳米尺度游动机器人:现状与应用前景

微纳米机器人在生物医学、环境检测和处理等多个领域具有非常重要的潜在应用,而磁场作为一种可以驱动并控制微纳米机器人的无线操控手段,具有获取简单、调试方便、能够无损穿透生物组织等特点,因此关于如何将磁场应用在微纳米机器人领域的课题一直受到国内外研究者的广泛关注.本文对目前磁场在微纳米机器人中的应用进行了简单的分类与归纳,介绍了相关机理,阐述了磁场在微纳米机器人领域的重要地位,旨在为今后的相关研究提供参考.     

封面说明

<正>飞秒激光微纳加工技术具有三维可设计制造、高精度、高空间分辨率、材料适用范围广等优势,在三维微纳结构制备领域显示了巨大的应用前景.近年来,随着国内外对超短脉冲激光与物质相互作用规律的深入研究,超快激光微纳加工技术不断进步,其应用领域拓展至微光学、微传感器、微电子学、微机械、微流控及仿生微纳制造等多个方向.借助超快激光微纳加工技术,一系列常规加工手段无法制备的复杂微纳结构被成     

亚波长微纳光学的前沿研究(一)

材料与结构在微纳米尺度展现了许多不同于宏观尺度的新特征,微纳加工技术已经成为当前科学研究与工业开发的热门领域之一。笔者简要介绍了负折射材料和黑硅这两种微纳光学材料的制备及其特性,展示了微纳光学材料在新技术中的广阔前景和科技创新中的重要作用。     

光驱动微纳马达的运动机理及其性能

微纳马达是指在外界各种能量(光、电、磁、热、化学能等)的刺激下,具有运动性能(包括转动、翻转、梭动、收缩、聚集等)且尺寸为微米或纳米级的微观器件.相对于传统的微纳颗粒而言,微纳马达的可控运行的特性使之在应对未来生物临床、环境治理、微纳器械、微纳加工等领域的实际问题时具备明显优势.光驱动微纳马达作为本领域十分重要的一种类型,由于具有运动远程可控的独特性能而备受关注.本文首先对微纳马达进行了简单的介绍,然后详细地介绍光驱动微纳马达设计的基本原则及驱动机理、光驱动马达的分类、运动特征以及潜在应用,最后对光驱动微纳马达目前面临的挑战以及未来的发展进行了评述.     

煤纳米孔隙结构的原子力显微镜研究

煤纳米孔隙是认识煤中吸附气储集和运移的重要因素. 提出一种研究煤纳米孔隙结构的新方法, 该方法基于原子力显微镜(AFM)的纳米级分辨率, 可直观清晰地观察煤的纳米孔隙特征, 并可对煤纳米孔隙结构参数进行三维定量测量. 分析结果表明: 煤中纳米孔主要为变质气孔和分子间的链间孔, 变质气孔的形貌主要为圆形和椭圆形, 随煤化程度的提高, 变质气孔的发育程度不断增加; 链间孔的形态变化较大, 低煤级煤的链间孔大于高煤级煤, 链间孔随煤级的升高逐渐减少. 横切面分析可以有效地揭示煤纳米孔隙的几何学特征, 相分析的参数是表征煤微孔隙度的重要参数之一, 而粒度分析则可以检测煤纳米孔隙孔径分布特征. AFM 对煤纳米孔隙的研究, 将会给煤的微观结构和煤层气吸附机理的进一步深入研究提供新的研究手段.     

亚波长微纳光学的前沿研究(二)*

结合薄膜光学、导波光学和衍射光学制备的亚波长微纳结构器件,具备制作新型功能光学元件的潜力,是当今光学领域备受关注的研究热点。笔者介绍了亚波长导模共振结构应用于可调谐滤波器、彩色图像再现,及其周期性孔阵列结构制备的可调谐滤波器。这些研究展示了微纳米尺度的光学结构不同于宏观尺度的新特征,及其在新技术的广阔前景和科技创新中的重要作用。     

基于多肽和蛋白质分子的纳米生物界面效应及其应用研究

通过对纳米结构进行表面生物和化学修饰,能够赋予其崭新的界面性质.本文概述了纳米颗粒表面共价修饰和非共价修饰多肽和蛋白质的常用方法,对比了两种修饰方法的优缺点以及构筑纳米生物结构存在的问题;并介绍了多肽和蛋白质界面修饰在改善纳米颗粒生物稳定性、生物分布和靶向性方面的研究工作;在此基础上介绍了纳米生物结构基于抗原-抗体特异性识别在生物检测领域的应用;此外,简单介绍了纳米生物结构在应用过程中所面临的挑战.希望本综述能够有助于科技工作者了解纳米生物结构的构筑方法及其应用方面的进展和挑战,为多肽和蛋白质修饰纳米结构的设计合成提供一些启发和思路.     

面向靶向医疗的微纳米机器人

微纳米机器人指的是尺度在微纳米级别(几纳米至几百微米)的微型机器人,其能够将磁能、光能、声能或其他形式的能量转化为机械运动,具备能完成更高效、更精确局部诊断和靶向治疗的潜在功能,在生物医学领域有广阔的应用前景。文章详细介绍了微纳米机器人的制备方法,阐述了相关驱动手段,总结了其在靶向医疗应用方面的研究进展,并讨论了其在活体应用时面临的挑战以及未来的发展方向。     

多物理场驱动微纳马达的运动机理及应用

多物理场驱动微纳马达是一种介于纳米和微米尺度的致动器,它能够将化学能、磁能、电能、光能、热能以及超声能转换为机械能,从而实现其在靶向药物运输、粒子离散、生物传感、仿生制造以及环境修复等领域的应用.本文评述了近年来我国微纳马达运动控制领域重要的研究进展和代表性成果,以及微纳马达在各领域的应用研究,阐述了微纳马达当前存在的关键性问题,并探讨了微纳马达未来的应用前景及发展方向和趋势,为深入开展微纳马达的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考.     

飞秒激光改性区选择性化学腐蚀加工光纤微纳结构传感器

光纤微纳结构传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰和灵敏度高等优点,已成为各领域不可或缺的传感器件.本文简要介绍了飞秒激光改性区选择性化学腐蚀加工光纤微纳结构的方法,并根据传感器工作原理,将所得传感器件分为干涉型、衍射型和复合型3种.重点阐述了各类型器件的结构和性能,并对运用该方法制作的光纤微纳结构进行总结和展望.     

面向靶向医疗的微纳米机器人

微纳米机器人指的是尺度在微纳米级别(几纳米至几百微米)的微型机器人，其能够将磁能、光能、声能或其他形式的能量转化为机械运动，具备能完成更高效、更精确局部诊断和靶向治疗的潜在功能，在生物医学领域有广阔的应用前景。文章详细介绍了微纳米机器人的制备方法，阐述了相关驱动手段，总结了其在靶向医疗应用方面的研究进展，并讨论了其在活体应用时面临的挑战以及未来的发展方向。     

自驱动微纳米马达的设计原理与结构简化方法

自驱动微纳米马达由于其自主运动特性,在药物运输、生物传感、细胞分离、微手术和环境治理等方面有着重要的应用前景.本文通过分析自驱动微纳米马达的气泡反冲和自泳等各种驱动机理,指出设计制备自驱动微纳米马达的关键是在微纳米粒子周围构建非对称场;重点综述了自驱动微纳米马达从双面神结构和多层管状结构到各向异性单组分结构和各向同性粒子的结构演变与简化历程,并对其发展和应用前景做出了展望.     

基于分子瓦自组装的DNA纳米管的制备与表征

利用DNA分子自组装技术可以构建从一维到三维不同形状的纳米结构,并且这些结构在微纳米电子学、纳米生物学等众多领域有许多潜在的用途.本文利用DNA分子瓦(tile)自组装技术,采用双交叉(DX)DNA分子瓦成功组装了一维DNA纳米管结构,聚丙烯酰胺凝胶电泳(native-PAGE)、透射电子显微镜(TEM)、荧光显微镜和原子力显微镜(AFM)对制得的DNA纳米管结构进行了表征,结果表明,组装成功的DNA纳米管直径在7～20nm之间,长度最长可以达到50μm以上.为了结构更加稳定,对分子瓦中每条DNA单链的5′末端进行磷酸化处理,自组装完成后利用T4DNA连接酶连接磷酸化修饰的DNA纳米管的缺口.AFM结果显示,使用T4DNA连接酶处理后的DNA纳米管更能保持完好的管状结构,表明连接处理后的DNA纳米管更加坚固,促进了DNA纳米管应用于微纳米领域的研究.     

飞秒激光直写在玻璃内部制备多功能集成器件

飞秒激光脉冲具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应,使其可以深入透明介质内部,以超越光学衍射极限的精度对材料进行三维微加工.除此之外,飞秒激光三维直写技术具有高度的灵活性,即可以在单一芯片上制备并集成多种不同功能的微纳结构.这些特性使该技术迅速发展成为微制造领域的研究热点,在微流体、微光学、光电子学以及光量子芯片制备与集成等领域表现出广阔的前景.但还有一些问题限制飞秒激光直写技术的进一步发展,比如加工通道的尺寸和长度限制、较高的加工表面粗糙度等.针对这些问题,本文重点介绍了在玻璃中制备三维微纳流体通道以及高品质光学微腔的最新进展.     

激光检测摩擦力显微镜的研制

纳米摩擦学已经成为摩擦学最活跃的研究领域之一。摩擦力显微镜(Friction force microscope,简称FFM)是最近几年在原子力显微镜(Atomic force microscope,简称AFM)基础上发展起来的一种具有很高分辨率的、用于研究物质表面微观摩擦性质的探测工具。由于以往在微观尺度上对摩擦现象的研究缺乏有效手段,因此,FFM自问世以来便受到广泛重视并在纳米摩擦学领域得到应用。目前纳米摩擦学研究领域的最新成果大都由AFM和FFM得到,如微摩擦力与表面轮廓斜率的对应关系、微摩擦力的周期性、微磨损的特性等。但AFM和FFM在纳米摩擦学领域的应用研究本身还有待于深入发展。虽然国内一些单位已开展对微观摩擦学的研究和扫描探针系列显微镜的研制工作,但尚未有用FFM从事纳米摩擦磨损研究的报道。清华大学摩擦学国家重点实验室与中国科学院化学研究所于1995年5月成功地研制出国内首台FFM。本文报道了我们在仪器研制方面所作的工作。     

飞秒激光仿生制备极端浸润性表面

极端浸润性表面由于具有许多奇异的特性和重要的应用,近年来备受国际学术界和工业界的广泛关注.与传统微制造技术相比,飞秒激光微纳加工技术在设计制备复杂精细表面微纳结构方面具有非常突出的优势.飞秒激光近年来也被成功应用于调控固体材料表面的浸润性.本文系统总结了飞秒激光在制备不同极端浸润性表面方面的研究进展,包括超疏水表面、水下超疏油表面、水下超疏气表面、润滑液灌注滑动表面、可调粘滞性表面以及各向异性表面.本文从仿生制备的角度,阐述了各种超浸润表面飞秒激光构建的方法和思路,以及不同浸润性之间的关系,介绍了飞秒激光诱导极端浸润性表面的重要应用,探讨了该领域目前所面临的主要挑战,并对未来的发展进行了展望.