3D打印最新Nature！

3D打印技術參考注意到，于1月28刊發(fā)的最新一期nature，再增加一篇與3D打印技術相關的研究。來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院和新加坡國立大學的聯(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打印技術在材料選擇上的局限，為實現多材料、多功能、真三維微納結構的自由制造，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（2PP）憑借其高達100nm的高分辨率、簡便的制造工藝以及打印復雜自由曲面3D微結構的能力 ，已成為最先進的3D微加工/納米加工策略。但2PP技術在材料兼容性方面仍然高度局限于可交聯(lián)聚合物。當前雖有很多多數研究想拓展到無機材料，但存在很多限制，要實現廣泛的材料兼容性就更加困難。

為了克服這些材料局限性，直接組裝材料構件已被證明對構建三維微結構/納米結構非常有效。其中，光學組裝是一種極具吸引力的構建復雜材料組裝體的策略。它利用非特異性的光-物質相互作用（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，從而實現高精度的單顆粒組裝。然而，現有方法大多局限于二維結構構型，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，能夠實現多種材料的兼容。

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空心聚合物微結構（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，產生陡峭的溫度梯度，從而誘導強烈的對流（速度可達數毫米/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部并逐漸積累，最終組裝成模板預設的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構的SEM圖像；f ，模擬結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圖像，展示了空心微立方體內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材料構成的獨立式三維微結構。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量級。所得三維微結構具有很高的結構完整性，這些三維結構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雜3D曲面的懸垂羊角面包形狀的超結構，進一步證明了該技術的可行性。

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

與多種材料廣泛兼容

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

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，可以構建空間編碼多種功能材料的微結構，因此該技術在開發(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)運動的多場驅動微型機器人。

按需構建多功能微器件

總的來說，2PP技術雖能制造三維微米或納米結構，但材料的選擇存在局限。將3D打印與其他領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、量子點等在內的多種材料的三維微結構或納米結構，因此它為先進材料創(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/納米光子學、催化和微流控等領域的廣泛應用提供了新可能。

注：本文由3D打印技術參考創(chuàng)作，未經聯(lián)系授權，謝絕轉載。

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