图：样品的表面和侧视图显示了长度为几微米、直径远低于30nm的纳米通道，这意味着长宽比非常高（>200）。来源：Advanced Photonics Nexus (2022). DOI: 10.1117/1.APN.1.2.026004

 

       纳米结构制造的最新进展对许多领域的应用具有重要意义，包括生物医学、化学、材料工程和环境修复。

 

       特别是，纳米通道（物理尺寸小于100nm的纳米结构），研究人员正在积极研究其在DNA拉伸、纳米流体和人造膜中的潜在用途。

 

       例如，在基于聚合酶链反应的传统DNA检测方法中，单个突变基因很容易被视为噪声。在直径低于100nm的纳米通道内，DNA分子可以沿着一条线拉伸。因此，有可能沿着单个DNA逐一研究碱基对，通过这些碱基对可以精确地发现单个突变基因。

 

       大多数应用领域将受益于由硬材料（如二氧化硅、金刚石和蓝宝石）制成的纳米通道，这些材料在恶劣环境中具有高化学稳定性和耐用性。不幸的是，到目前为止，在这种材料上制造深纳米通道具有挑战性，只有通过光刻技术的浅纳米通道得到了广泛和成功的复制。

 

       中国西安交通大学的一个研究团队正在专注于一种有前途的纳米结构制造技术：飞秒激光直接写入（FLDW）。简单地说，FLDW利用极短（10e-15秒）和高精度高能激光脉冲来创建所需的纳米结构（例如，纳米孔、纳米孔和纳米石）。

 

       发表在Advanced Photonics Nexus上的最新研究中，该团队成功地使用FLDW创建了直径为30 nm的二氧化硅纳米通道，比以往任何研究中报道的都小，纵横比超过200。这归因于在该过程中发现的一种新的激光-物质相互作用现象。

 

       在他们的工作中，团队使用了贝塞尔光束——一种在传播时甚至聚焦到一个小点时都能保持形状的激光束。515nm波长的单个贝塞尔光束脉冲（通过倍频从1030nm激光器获得）被聚焦在离二氧化硅样品表面刚好合适的距离处。

 

       使用不同激光脉冲能量和样品距离的一些实验显示了非常令人印象深刻的结果。在低脉冲能量下，根据样品距离，在二氧化硅表面附近（小于1μm）发现了一个30nm大小的纳米通道或纯陨石坑结构。在高脉冲能量下，在材料内部深处（5μm以下）会形成一个更长的空腔，同时在表面形成一个凹坑。

 

       经过仔细的理论分析和模拟，该团队意识到，迄今为止尚未发现的激光与材料的相互作用正在发挥作用，该团队称之为“表面辅助材料喷射”，在贝塞尔光束产生的内部“热域”中产生空腔。

 

       Paulina Segovia Olvera，《Advanced Photonics Nexus》副主编，注意到这项工作极大地促进了激光材料加工领域的知识进步：“这项工作为激光与物质相互作用的基本原理提供了新的见解。它表明，可以制造尺寸远低于衍射极限的纳米通道结构，这通常为传统的基于激光的制造设定了纳米结构特征尺寸的下限。”

 

       鉴于这一进步，本研究可能为采用FLDW作为一种稳健、灵活和成本效益高的方法，以亚微米精度制造纳米通道铺平道路。反过来，这有助于推动其在其他领域的应用，如基因组科学、催化和传感器。

 

[1] Yu Lu et al, Nanochannels with a 18-nm feature size and ultrahigh aspect ratio on silica through surface assisting material ejection, Advanced Photonics Nexus (2022). DOI: 10.1117/1.APN.1.2.026004

来源：Provided by SPIE