納米結(jié)構(gòu)制造的最新進(jìn)展對(duì)許多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，包括生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、材料工程和環(huán)境修復(fù)。

特別是，納米通道（物理尺寸小于100nm的納米結(jié)構(gòu)），研究人員正在積極研究其在DNA拉伸、納米流體和人造膜中的潛在用途。

例如，在基于聚合酶鏈反應(yīng)的傳統(tǒng)DNA檢測(cè)方法中，單個(gè)突變基因很容易被視為噪聲。在直徑低于100nm的納米通道內(nèi)，DNA分子可以沿著一條線拉伸。因此，有可能沿著單個(gè)DNA逐一研究堿基對(duì)，通過(guò)這些堿基對(duì)可以精確地發(fā)現(xiàn)單個(gè)突變基因。

大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹芤嬗谟捎膊牧希ㄈ缍�氧化硅、金剛石和藍(lán)寶石）制成的納米通道，這些材料在惡劣環(huán)境中具有高化學(xué)穩(wěn)定性和耐用性。不幸的是，到目前為止，在這種材料上制造深納米通道具有挑戰(zhàn)性，只有通過(guò)光刻技術(shù)的淺納米通道得到了廣泛和成功的復(fù)制。

圖：樣品的表面和側(cè)視圖顯示了長(zhǎng)度為幾微米、直徑遠(yuǎn)低于30nm的納米通道，這意味著長(zhǎng)寬比非常高（>200）

中國(guó)西安交通大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在專注于一種有前途的納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)：飛秒激光直接寫入（FLDW）。簡(jiǎn)單地說(shuō)，F(xiàn)LDW利用極短（10e-15秒）和高精度高能激光脈沖來(lái)創(chuàng)建所需的納米結(jié)構(gòu)（例如，納米孔、納米孔和納米石）。

發(fā)表在Advanced Photonics Nexus上的最新研究中，該團(tuán)隊(duì)成功地使用FLDW創(chuàng)建了直徑為30 nm的二氧化硅納米通道，比以往任何研究中報(bào)道的都小，縱橫比超過(guò)200。這歸因于在該過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一種新的激光-物質(zhì)相互作用現(xiàn)象。

在他們的工作中，團(tuán)隊(duì)使用了貝塞爾光束——一種在傳播時(shí)甚至聚焦到一個(gè)小點(diǎn)時(shí)都能保持形狀的激光束。515nm波長(zhǎng)的單個(gè)貝塞爾光束脈沖（通過(guò)倍頻從1030nm激光器獲得）被聚焦在離二氧化硅樣品表面剛好合適的距離處。

使用不同激光脈沖能量和樣品距離的一些實(shí)驗(yàn)顯示了非常令人印象深刻的結(jié)果。在低脈沖能量下，根據(jù)樣品距離，在二氧化硅表面附近（小于1μm）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)30nm大小的納米通道或純隕石坑結(jié)構(gòu)。在高脈沖能量下，在材料內(nèi)部深處（5μm以下）會(huì)形成一個(gè)更長(zhǎng)的空腔，同時(shí)在表面形成一個(gè)凹坑。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)的理論分析和模擬，該團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的激光與材料的相互作用正在發(fā)揮作用，該團(tuán)隊(duì)稱之為“表面輔助材料噴射”，在貝塞爾光束產(chǎn)生的內(nèi)部“熱域”中產(chǎn)生空腔。

Paulina Segovia Olvera，《Advanced Photonics Nexus》副主編，注意到這項(xiàng)工作極大地促進(jìn)了激光材料加工領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)步：“這項(xiàng)工作為激光與物質(zhì)相互作用的基本原理提供了新的見(jiàn)解。它表明，可以制造尺寸遠(yuǎn)低于衍射極限的納米通道結(jié)構(gòu)，這通常為傳統(tǒng)的基于激光的制造設(shè)定了納米結(jié)構(gòu)特征尺寸的下限。”

鑒于這一進(jìn)步，本研究可能為采用FLDW作為一種穩(wěn)健、靈活和成本效益高的方法，以亞微米精度制造納米通道鋪平道路。反過(guò)來(lái)，這有助于推動(dòng)其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如基因組科學(xué)、催化和傳感器。

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