2026年第二篇3D打印《Nature》論文，攻克金屬/陶瓷3D微納制造

導讀： 2026年剛剛過去1個月，3D打印領域就在《Nature》雜志發表了第二篇論文了。

2026年1月30日，南極熊獲悉，2026年3D打印領域第二篇Nature論文發表，來自德國馬克斯·普朗克智能系統研究所（通訊作者單位）的研究人員帶來一項革命性技術—— 光流體3D微納制造方法 ，成功突破傳統3D打印材料限制，為微型設備制造開辟新路徑。

研究背景：微納制造的“材料困境”

三維（3D）微納制造技術改變了人們構建微小物體的方式，讓制造復雜的微型機器人、微致動器和光子器件成為可能。在過去二十年中，雙光子聚合（2PP）技術憑借其極高的分辨率和構建任意形狀的能力，成為微納制造的領軍技術之一。但這項技術存在一個明顯的短板： 它極度依賴光敏聚合物材料 。雖然科學家們嘗試過將無機納米晶體摻雜進聚合物中，但這些方法依然無法擺脫對特定化學性質的依賴， 難以實現金屬、陶瓷或半導體等多種材料的純相3D打印 。如何打破這種材料限制，用任意材料構建復雜的3D微結構，是微納制造領域亟待解決的難題。

研究意義：開啟通用型3D微納制造新篇章

這項研究提出了一種極具普適性的解決方案。來自 Max Planck Institute for Intelligent Systems(馬克斯·普朗克智能系統研究所）、ETH Zürich(蘇黎世聯邦理工學院) 以及 National University of Singapore（新加坡國立大學） 等機構的研究團隊，開發了名為“ 光流控3D微納制造 ”的全新技術策略。這項技術巧妙地結合了 傳統的2PP打印與光流控組裝，擺脫了材料化學性質的束縛 。無論是金屬、金屬氧化物、碳納米材料還是量子點，都能被加工成任意形狀的3D微結構。這一突破為微型機器人、微流控芯片以及微納光子學等領域帶來了無限可能，讓微型器件的功能設計不再受限于材料本身。

△光流控3D微納制造概念圖。a. 工藝示意圖：飛秒激光加熱誘導局部溫度梯度，產生強對流，引導微/納米顆粒進入2PP打印的中空微模板內進行3D組裝。b, c. 二氧化硅膠體顆粒組裝成的微立方體及其放大細節的SEM圖像。d, e. 由二氧化硅組裝成的具有3D曲面的懸空牛角包形狀微結構的SEM圖像。f. 模擬結果：展示激光加熱后中空微立方體周圍的溫度分布和流體場。g. 示意圖和延時光學圖像：展示二氧化硅納米顆粒在中空微立方體內的組裝過程。

核心技術

研究團隊的核心思路是 “先造模，后填充” ，整個過程分為三步：

?首先，利用成熟的2PP技術打印出帶有開口的中空聚合物微模板。這個模板就像是一個微小的模具，確定了最終產品的形狀。

?隨后，將這個模板浸泡在含有目標納米顆粒的溶液中。研究人員使用飛秒激光照射模板開口附近。激光產生的熱量會在局部形成溫度梯度，進而引發強烈的對流。這股流體就像一臺微型“吸塵器”，將周圍懸浮的納米顆粒源源不斷地卷入模板內部。在流體力的作用下，顆粒在模板內緊密堆積，依靠范德華力形成穩固的結構。

?最后，通過等離子體清洗或高溫退火去除外部的聚合物模板，一個完全由目標材料構成的獨立3D微結構便誕生了。

△組裝機理

為了驗證這種方法的通用性，團隊測試了二氧化硅、金、氧化鐵、金剛石、量子點等多種截然不同的材料，均成功制造出了高精度的3D結構。他們甚至實現了不同材料的定點組裝，例如在一個微型底座上分別用不同尺寸的顆粒“拼”出字母。

△廣泛的微/納米材料兼容性。a-c. 1微米二氧化硅顆粒組裝的微型葫蘆結構的3D模型及SEM圖像。d-f. 600納米二氧化硅顆粒組裝的六邊形微結構的3D模型及SEM圖像。g-i. 不同尺寸二氧化硅顆粒共組裝微球的模型及SEM圖像。j-l. 定點組裝不同尺寸顆粒形成的字母“P”和“I”結構。m-o. 二氧化鈦納米顆粒組裝的螺絲狀結構模型、SEM及TEM圖像。p-r. 四氧化三鐵納米顆粒組裝的字母“E”結構模型、SEM及TEM圖像。s-z. 多種材料（二氧化硅、二氧化鈦納米線、氧化鎢納米線、金剛石納米顆粒、氧化鋁納米線、四氧化三鐵納米顆粒、銀納米顆粒）組裝微立方體的模型、SEM圖像及EDS元素映射。

多功能微器件的實證

基于這一技術，研究團隊成功展示了多種功能性微器件：
他們制造了一種微流控閥門，利用納米顆粒堆積形成的微小孔隙，實現了對不同尺寸微粒的高效分離。與此同時，他們還構建了集成了四種不同功能材料的微型機器人。這種機器人擁有磁性、光催化等多種特性，能在磁場驅動下翻滾，或在紫外光照射下進行自泳運動。這些成果有力地證明，光流控3D制造技術能夠輕松應對復雜結構與多材料集成的挑戰。

△按需構建多功能微器件。a-e. 微流控篩分器件：利用膠體微閥實現毛細力驅動的流體分離，成功攔截500納米聚苯乙烯球和100納米PLGA顆粒。f-s. 多場驅動微型機器人：展示了四氧化三鐵組裝的圓柱體機器人在磁場下的翻滾運動，以及集成金、二氧化鈦、鉑和四氧化三鐵的L型機器人在磁場、紫外光和過氧化氫溶液中的多模態運動（磁性牽引、光驅逆時針旋轉、化學驅動順時針旋轉）。

微納領域的廣闊前景

這項光流控3D微納制造技術，通過物理手段（光與流體）而非化學鍵合來操控材料，從根本上解決了微納制造中的材料兼容性問題。未來，隨著對流體控制精度的進一步提升，這種方法有望在催化科學、生物傳感以及微型醫療機器人領域大放異彩，為制造下一代高性能微納器件奠定基礎。