這項(xiàng)創(chuàng)新有望為精密測(cè)量、生物成像和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)辟新應(yīng)用。

這項(xiàng)用于量子傳感器的創(chuàng)新3D打印技術(shù)，使研究人員能夠?qū)⒌瘴?a target="_blank">中心嵌入具有復(fù)雜幾何形狀的微尺度3D結(jié)構(gòu)中，包括納米級(jí)的3D打印測(cè)試專用模型“3DBenchy”（一種類似拖船的測(cè)試模型）。

量子傳感是一個(gè)前景廣闊的新興領(lǐng)域，但事實(shí)證明，為這些納米級(jí)傳感器構(gòu)建晶體襯底仍然存在挑戰(zhàn)。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的3D打印制造方法，將量子傳感粒子構(gòu)造成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)微觀環(huán)境中的溫度和磁場(chǎng)變化。

該研究成果已發(fā)表于Nano Letters期刊，據(jù)報(bào)道，研究人員提出的這項(xiàng)3D打印方法，利用雙光子聚合制造基于氮空位中心的高度可定制3D結(jié)構(gòu)的量子傳感器。這種可打印的量子傳感器能夠在室溫下進(jìn)行高靈敏的測(cè)量，有望為材料科學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)的變革性應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。

該研究共同主要作者、機(jī)械工程系研究生Brian Blankenship表示：“我們的研究展示了將量子傳感器與先進(jìn)3D打印技術(shù)相結(jié)合的潛力，從而實(shí)現(xiàn)其他方法無(wú)法達(dá)成的新設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的完善，這項(xiàng)新技術(shù)有望將量子傳感器引入微流控、電子和生物系統(tǒng)，甚至開(kāi)辟其他目前還沒(méi)有想到的應(yīng)用?！?/p>

機(jī)械工程系教授、聯(lián)合首席研究員Costas Grigoropoulos補(bǔ)充稱：“這種新的制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高度定制，因此可以精確設(shè)計(jì)出具有所需性能的結(jié)構(gòu)。這些構(gòu)建材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以提供量身定制的機(jī)械響應(yīng)。它們可以整合傳感和驅(qū)動(dòng)功能，適用于結(jié)構(gòu)材料、組織工程和光機(jī)系統(tǒng)等應(yīng)用。”

量子傳感器利用原子和光的特性來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)變和溫度的微小變化。它們已經(jīng)用于為GPS系統(tǒng)提供最精確的時(shí)鐘，現(xiàn)在，人們對(duì)將這些傳感器應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)等其他領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣。

但Grigoropoulos表示：“量子傳感器從實(shí)驗(yàn)室條件走出來(lái)還存在困難。許多量子傳感平臺(tái)需要極低的溫度（比冰點(diǎn)低數(shù)百度）才能正常工作。此外，這些材料通常需要非常純凈和完美的結(jié)晶，這可能會(huì)阻礙它們?cè)谠S多實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用?！?/p>

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用3D打印制造技術(shù)，將量子傳感粒子（氮空位中心）構(gòu)造成3D結(jié)構(gòu)。當(dāng)金剛石內(nèi)部的單個(gè)碳原子被氮原子取代，并且相鄰的碳原子為空時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這些氮空位中心。氮空位中心非常獨(dú)特，它們可以在室溫下很好的工作，即使是粒子也能保持其量子特性。

氮空位中心嵌入具有復(fù)雜幾何形狀的微尺度3D結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)光學(xué)成像來(lái)測(cè)量其內(nèi)部的溫度和磁場(chǎng)。

Blankenship說(shuō)：“我們的方法克服了結(jié)構(gòu)化單晶襯底相關(guān)的挑戰(zhàn)，這些氮空位中心可以在室溫下可靠地工作。我們證明了通過(guò)使用改進(jìn)的顯微鏡，可以對(duì)這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和磁場(chǎng)進(jìn)行精確測(cè)量?！?/p>

他說(shuō)：“現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)使我們能夠?qū)鞲性蛴〉轿⒘骺匦酒?，或者先進(jìn)的半導(dǎo)體器件上，甚至細(xì)胞支架上，同時(shí)為這些系統(tǒng)提供先進(jìn)的診斷功能。盡管目前的論文研究專注于測(cè)量溫度和磁場(chǎng)，但我們相信這項(xiàng)成果還可以擴(kuò)展到其他類型的測(cè)量?！?/p>

審核編輯：彭菁