3D打印最新Nature！

3D打印技術(shù)參考注意到，于1月28刊發(fā)的最新一期nature，再增加一篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的研究。來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和新加坡國立大學(xué)的聯(lián)合團隊發(fā)表了題為“Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication”的文章。主要研究人員，有多位中國/華裔學(xué)者。

該研究提出了一種融合雙光子聚合3D打印與光流體組裝的新型微納制造策略，它突破了傳統(tǒng)3D打印技術(shù)在材料選擇上的局限，為實現(xiàn)多材料、多功能、真三維微納結(jié)構(gòu)的自由制造，提供了全新方法。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10033-x

研究背景

文章指出，3D微加工技術(shù)能夠制造各種功能性微尺度器件，如微型機器人、微型致動器、微米級超材料和微光子/納米光子器件等。雙光子聚合3D打印技術(shù)（2PP）憑借其高達(dá)100nm的高分辨率、簡便的制造工藝以及打印復(fù)雜自由曲面3D微結(jié)構(gòu)的能力 ，已成為最先進(jìn)的3D微加工/納米加工策略。但2PP技術(shù)在材料兼容性方面仍然高度局限于可交聯(lián)聚合物。當(dāng)前雖有很多多數(shù)研究想拓展到無機材料，但存在很多限制，要實現(xiàn)廣泛的材料兼容性就更加困難。

為了克服這些材料局限性，直接組裝材料構(gòu)件已被證明對構(gòu)建三維微結(jié)構(gòu)/納米結(jié)構(gòu)非常有效。其中，光學(xué)組裝是一種極具吸引力的構(gòu)建復(fù)雜材料組裝體的策略。它利用非特異性的光-物質(zhì)相互作用（如光梯度力和光控電場或溫度場）來捕獲懸浮在溶液中的微粒/納米顆粒。然后，可以將捕獲的顆粒逐個輸送并定位到指定位置，從而實現(xiàn)高精度的單顆粒組裝。然而，現(xiàn)有方法大多局限于二維結(jié)構(gòu)構(gòu)型，且組裝效率較低，通常在10–1000個顆粒/分鐘的量級。更重要的是，建立一個具有更廣泛材料適用性的通用光學(xué)組裝平臺仍然具有挑戰(zhàn)性。

微尺度制造組合策略

在這項研究中，研究人員提出了一種雙光子聚合3D打印微模板+光流體組裝的組合制造方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多種材料的兼容。

具體地說，首先利用雙光子聚合工藝在玻璃基板上3D打印一個帶有開口的3D空心聚合物微結(jié)構(gòu)（如立方體），作為3D微模板。然后，將打印好的模板浸入含有均勻分散的納米顆粒（或微米顆粒）的溶液中。接著，在模板開口附近施加光束直徑為2μm的飛秒激光，產(chǎn)生陡峭的溫度梯度，從而誘導(dǎo)強烈的對流（速度可達(dá)數(shù)毫米/秒），推動分散的顆粒向開口移動。最終，這些顆粒被輸送到空心微模板內(nèi)部并逐漸積累，最終組裝成模板預(yù)設(shè)的3D形狀。

a.光流控三維微加工/納米加工工藝示意圖；b 、c ，SiO?膠體粒子組裝的微立方體的SEM圖像；d 、e ，由SiO?粒子組裝而成的具有三維曲面的懸垂羊角面包狀微結(jié)構(gòu)的SEM圖像；f ，模擬結(jié)果顯示了飛秒激光加熱后空心微立方體周圍的溫度分布和流體流場。圖 g為示意圖和延時光學(xué)圖像，展示了空心微立方體內(nèi)SiO?納米粒子的組裝過程。

組裝完成后，通過合理的后處理方法選擇性地去除聚合物模板，從而得到完全由目標(biāo)材料構(gòu)成的獨立式三維微結(jié)構(gòu)。研究人員展示了他們制備的由SiO?納米顆粒隨機組裝而成的實心微立方體，組裝效率約為10?個顆粒/分鐘，相比傳統(tǒng)方法，效率提升了不止一個數(shù)量級。所得三維微結(jié)構(gòu)具有很高的結(jié)構(gòu)完整性，這些三維結(jié)構(gòu)能自支撐并具有良好的機械穩(wěn)定性。研究人員成功制造出了具有復(fù)雜3D曲面的懸垂羊角面包形狀的超結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明了該技術(shù)的可行性。

文章指出，3D打印的模板在實現(xiàn)確定性三維制造中起著至關(guān)重要的作用：它定義了整體幾何形狀，確保了清晰的邊緣和對稱性；引導(dǎo)光流體流動，從而可重復(fù)地填充復(fù)雜體積；并通過制造不同的三維結(jié)構(gòu)，提供了設(shè)計的靈活性。

與多種材料廣泛兼容

論文提到，該組合策略在構(gòu)建復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢，能夠利用各種微材料/納米材料，而無需考慮其形狀、尺寸和表面化學(xué)性質(zhì)。

他們成功地利用多種納米材料組裝了微立方體，包括TiO?納米線、金剛石納米顆粒、Fe?O?納米顆粒、WO?納米線、Al?O?納米線、Ag納米顆粒和CdTe量子點。

與多種微材料/納米材料具有廣泛的兼容性：SiO?、TiO?、金剛石納米顆粒、Fe?O?、WO?、Al?O?、Ag和CdTe

借助精確的空間控制和廣泛的材料適用性，可以構(gòu)建空間編碼多種功能材料的微結(jié)構(gòu)，因此該技術(shù)在開發(fā)具有按需功能的微器件方面具有潛力。作為概念驗證，研究人員展示了具有針對微小物體定制分離能力的微流控芯片、具有多模態(tài)運動的多場驅(qū)動微型機器人。

按需構(gòu)建多功能微器件

總的來說，2PP技術(shù)雖能制造三維微米或納米結(jié)構(gòu)，但材料的選擇存在局限。將3D打印與其他領(lǐng)域常用方法相組合的制造策略，克服了這一局限，能夠制造金剛石、金屬、金屬氧化物、量子點等在內(nèi)的多種材料的三維微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)，因此它為先進(jìn)材料創(chuàng)新和微型器件開發(fā)開辟了新的機遇，也為膠體機器人、微光子學(xué)/納米光子學(xué)、催化和微流控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了新可能。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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