使用飞秒激光脉冲制造纳米通道的新见解

纳米结构制造的最新进展使其在多个领域得到应用，包括生物医学、化学、材料工程和环境修复。特别是，正在积极研究纳米通道(至少一个物理尺寸小于100nm的纳米结构)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音。在直径小于100nm的纳米通道内，DNA分子可以沿一条线拉伸。因此，可以沿着单个DNA一对一地研究碱基对，通过它可以精确地发现单个突变基因。

大多数应用领域将受益于在硬脆材料上制成的纳米通道，例如二氧化硅、金刚石和蓝宝石，它们在恶劣的环境中提供高化学稳定性和耐用性。不幸的是，在这种材料上制造深纳米通道具有挑战性——到目前为止，只有通过光刻技术的表面纳米通道被广泛且成功地复制。

来自中国西安交通大学的一组研究人员正专注于一种有前途的纳米结构制造技术：飞秒激光直写(FLDW)。简而言之，FLDW利用极短(10-15秒)和高精度的高能激光脉冲来创建所需的纳米结构(例如，纳米孔、纳米孔和纳米狭缝)。

在发表于AdvancedPhotonicsNexus的最新研究中，该团队成功地使用FLDW创建了直径为30nm的二氧化硅纳米通道，比之前任何研究报告的都要小，纵横比超过200。这归功于一种新型激光器——过程中发现的物质相互作用现象。

在他们的工作中，该团队使用了贝塞尔光束——一种激光束，它在传播时甚至在聚焦到一个小点时也能保持其形状。515nm波长的单个Bessel光束脉冲(从1030nm激光通过倍频获得)聚焦在距二氧化硅样品表面恰到好处的距离处。

一些不同激光脉冲能量和样本距离的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30nm尺寸的纳米通道或纯火山口结构。在高脉冲能量下，会在材料主体深处(5μm以下)形成一个更长的空腔，同时在表面上形成一个陨石坑。

经过仔细的理论分析和模拟，该团队意识到迄今为止未被观察到的激光-材料相互作用正在发挥作用，该团队称之为“表面辅助材料喷射”。在这个过程中，表面材料的去除打开了一个窗口，使气化材料在块体内更深处膨胀和喷射，在贝塞尔光束产生的内部“热域”中产生空腔。

AdvancedPhotonicsNexus副主编PaulinaSegovia-Olvera指出，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纳米结构特征尺寸的下限。”

鉴于这种知识的进步，这项研究可能为采用FLDW作为一种稳健、灵活且具有成本效益的方法来制造亚微米精度的纳米通道铺平道路。反过来，这可以帮助推进其在其他领域的应用，例如基因组科学、催化和传感器。