橫跨多尺度的3D納米打印技術(shù)面世，成品最細只有113納米

3D 打印出來的線條最細只有 113 納米，比最小的病毒還要小？這是近期一篇 Nature 論文所展示的 3D 打印精度。

許多人都見過 3D 打印，一個噴頭慢慢移動，一點一點堆出形狀，打印一個簡單的小玩意需要等待幾小時。如果想打印精細到納米級別的東西，比如打印比頭發(fā)絲還細上千倍的結(jié)構(gòu)速度就更慢了，可能以整體只能做出一小塊。

上述論文由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 Xiaoxing Xia 團隊和斯坦福大學(xué)的 Jonathan Fan 課題組合作完成，他們讓這個速度從慢吞吞變得可以直接起飛，他們將超透鏡排成陣列，一次性生成 12 萬多個聚焦光斑同時進行打印。這套系統(tǒng)叫做超透鏡陣列雙光子光刻，名字聽著復(fù)雜，但其原理可以這樣理解，以前是一個雕刻刀慢慢刻，現(xiàn)在是 12 萬把雕刻刀一起開工。

圖 | 論文第一作者（來源：谷松韻）

打印速度達到每秒 1.2 億個體素，體素就是 3D 中的像素點，是 3D 打印的最小單位，這個速度比傳統(tǒng)雙光子光刻快了幾個數(shù)量級。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

谷松韻告訴 DeepTech：“我們真正首次實現(xiàn)了幾個厘米尺度的三維納米加工，理論上可以用來打印各種各樣的納米系統(tǒng)和功能性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。”

比如，可以應(yīng)用在芯片制造里，加工大面積的神經(jīng)探針，做集成光子學(xué)的器件，實現(xiàn)復(fù)雜的量子計算，甚至用在高能激光物理領(lǐng)域。

通過使用這套系統(tǒng)他們只花了不到兩個小時，就打印出來了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和斯坦福大學(xué)的標志，每個標志有 3 厘米長，線條細節(jié)在納米級別。如果使用傳統(tǒng)方法，同樣的任務(wù)需要一個月以上，而且因為要反復(fù)拼接，很容易出現(xiàn)錯位和瑕疵。

這套系統(tǒng)的核心是超透鏡陣列，超透鏡是一種平面鏡頭，表面刻滿了比波長還小的納米結(jié)構(gòu)，可以精確控制光的相位。和傳統(tǒng)鏡頭相比，超透鏡的優(yōu)勢很明顯：可以做得很大，可以排成陣列，可以浸在樹脂里工作，而且能夠承受高功率激光。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

研究團隊使用了兩組超透鏡陣列。一組是 50 乘 50 的陣列，每個透鏡 200 微米大小，數(shù)值孔徑 1.0，適合高精度打印。另一組是 370 乘 350 的陣列，每個透鏡 100 微米大小，數(shù)值孔徑 0.8，總共有 12 萬多個透鏡，覆蓋面積 12 平方厘米，適合高速量產(chǎn)。

激光經(jīng)過空間光調(diào)制器整形之后，投射到超透鏡陣列上，每個透鏡都會產(chǎn)生一個聚焦光斑。空間光調(diào)制器就像一個動態(tài)的模板，可以控制每個光斑的高度，甚至可以單獨開關(guān)。經(jīng)過校準之后，這 12 萬多個光斑的強度可以做到高度一致，打印出來的線條寬度偏差只有 16.5 納米。

通過使用這套系統(tǒng)他們展示了一系列應(yīng)用。

首先是打印了成千上萬個微型 3D 小船，每個只有幾十微米大小，結(jié)構(gòu)非常精細，有懸空、有穿孔、有銳角，而且個個都一樣。這種復(fù)制能力對于批量生產(chǎn)微納器件很重要。使用那個 12 萬透鏡的大陣列，一天可以打印出 5,000 萬個這樣的微顆粒。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

其次是打印了梯度密度的泡沫材料。這種材料在激光驅(qū)動質(zhì)子加速、梯度超材料、光子晶體等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)方法很難做出這種結(jié)構(gòu)，因為密度需要精確控制，而且變化是漸進的。

此外，他們打印出了可以使用的功能器件。

一個是太赫茲超材料，太赫茲波段介于微波和紅外之間，有很多潛在應(yīng)用，比如安檢、通信和生物傳感，但是天然材料很難調(diào)控太赫茲波。他們打印了許多螺旋結(jié)構(gòu)，每個螺旋直徑 120 微米，鍍金之后嵌入柔性材料之中。這個器件可以選擇性地通過左旋或者右旋的圓偏振太赫茲磁波，還可以把字母 S 編碼進去，用太赫茲成像系統(tǒng)讀出來。

同時，他們還打印了力學(xué)超材料，即打印了三種不同結(jié)構(gòu)的晶格，做成 10 毫米長、5 毫米寬的試件，每種包含 24 萬個晶胞。然后在中間刻了一個缺口，通過拉拽測試查看裂紋會如何擴展。要知道，使用傳統(tǒng)方法做這種實驗根本不可能，因為要打印這么大尺寸的樣品，時間太長，而且拼接缺陷會影響結(jié)果。

結(jié)果很有意思，八隅體晶格最硬，但是拉到 320 微米就會發(fā)生脆斷。開爾文晶格稍微軟一點，可以拉到 362 微米，裂紋擴展稍慢一些。最特別的是鏈甲晶格，其由上下堆疊的截角四面體籠子組成，相鄰單元像鎖子甲一樣互相扣住但卻沒有剛性連接。

這種結(jié)構(gòu)拉到 1,914 微米才斷裂，韌性遠超另外兩種。當裂紋擴展的時候，應(yīng)力不是集中在尖端，而是分散到一大片區(qū)域，單元之間不斷調(diào)整位置，讓裂紋兩邊交替前進。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

這個案例說明，有了高速、高精度的 3D 打印，人們可以探索以前做不了的實驗，從而發(fā)現(xiàn)新的材料現(xiàn)象。這套方法還可以加以進一步擴展，使用更大的超透鏡陣列、更先進的空間光調(diào)制器、更高功率的激光器，速度可以推到每秒 100 億體素以上。當然，數(shù)據(jù)量也會爆炸式增長，到時也需要更好的算法來壓縮和處理。

對此，谷松韻表示：“對于這樣一個多尺度的復(fù)雜加工系統(tǒng)，很難再依靠人力實現(xiàn)大范圍誤差的矯正。舉個例子，我們的打印尺寸是分辨率的幾十萬倍，從而沒有監(jiān)控系統(tǒng)能同時看清整個加工范圍和精細結(jié)構(gòu)，那我們要如何推斷系統(tǒng)是否正常運行？因此，我們也正在探索如何把 AI 引入到 3D 納米加工里面來。”

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x

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