3D打印技术参考注意到，于1月28刊发的最新一期nature，再增加一篇与3D打印技术相关的研究。来自苏黎世联邦理工学院和新加坡国立大学的联合团队发表了题为“Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication”的文章。主要研究人员，有多位中国/华裔学者。
该研究提出了一种融合双光子聚合3D打印与光流体组装的新型微纳制造策略，它突破了传统3D打印技术在材料选择上的局限，为实现多材料、多功能、真三维微纳结构的自由制造，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微加工技术能够制造各种功能性微尺度器件，如微型机器人、微型致动器、微米级超材料和微光子/纳米光子器件等。双光子聚合3D打印技术（2PP）凭借其高达100nm的高分辨率、简便的制造工艺以及打印复杂自由曲面3D微结构的能力 ，已成为最先进的3D微加工/纳米加工策略。但2PP技术在材料兼容性方面仍然高度局限于可交联聚合物。当前虽有很多多数研究想拓展到无机材料，但存在很多限制，要实现广泛的材料兼容性就更加困难。
为了克服这些材料局限性，直接组装材料构件已被证明对构建三维微结构/纳米结构非常有效。其中，光学组装是一种极具吸引力的构建复杂材料组装体的策略。它利用非特异性的光-物质相互作用（如光梯度力和光控电场或温度场）来捕获悬浮在溶液中的微粒/纳米颗粒。然后，可以将捕获的颗粒逐个输送并定位到指定位置，从而实现高精度的单颗粒组装。然而，现有方法大多局限于二维结构构型，且组装效率较低，通常在10–1000个颗粒/分钟的量级。更重要的是，建立一个具有更广泛材料适用性的通用光学组装平台仍然具有挑战性。
微尺度制造组合策略
在这项研究中，研究人员提出了一种双光子聚合3D打印微模板+光流体组装的组合制造方法，能够实现多种材料的兼容。
具体地说，首先利用双光子聚合工艺在玻璃基板上3D打印一个带有开口的3D空心聚合物微结构（如立方体），作为3D微模板。然后，将打印好的模板浸入含有均匀分散的纳米颗粒（或微米颗粒）的溶液中。接着，在模板开口附近施加光束直径为2µm的飞秒激光，产生陡峭的温度梯度，从而诱导强烈的对流（速度可达数毫米/秒），推动分散的颗粒向开口移动。最终，这些颗粒被输送到空心微模板内部并逐渐积累，最终组装成模板预设的3D形状。
a.光流控三维微加工/纳米加工工艺示意图；b 、c ，SiO₂胶体粒子组装的微立方体的SEM图像；d 、e ，由SiO₂粒子组装而成的具有三维曲面的悬垂羊角面包状微结构的SEM图像；f ，模拟结果显示了飞秒激光加热后空心微立方体周围的温度分布和流体流场。图 g为示意图和延时光学图像，展示了空心微立方体内SiO₂纳米粒子的组装过程。
组装完成后，通过合理的后处理方法选择性地去除聚合物模板，从而得到完全由目标材料构成的独立式三维微结构。研究人员展示了他们制备的由SiO₂纳米颗粒随机组装而成的实心微立方体，组装效率约为10⁵个颗粒/分钟，相比传统方法，效率提升了不止一个数量级。所得三维微结构具有很高的结构完整性，这些三维结构能自支撑并具有良好的机械稳定性。研究人员成功制造出了具有复杂3D曲面的悬垂羊角面包形状的超结构，进一步证明了该技术的可行性。
文章指出，3D打印的模板在实现确定性三维制造中起着至关重要的作用：它定义了整体几何形状，确保了清晰的边缘和对称性；引导光流体流动，从而可重复地填充复杂体积；并通过制造不同的三维结构，提供了设计的灵活性。
与多种材料广泛兼容
论文提到，该组合策略在构建复杂的三维微结构方面具有优势，能够利用各种微材料/纳米材料，而无需考虑其形状、尺寸和表面化学性质。
他们成功地利用多种纳米材料组装了微立方体，包括TiO₂纳米线、金刚石纳米颗粒、Fe₃O₄纳米颗粒、WO₃纳米线、Al₂O₃纳米线、Ag纳米颗粒和CdTe量子点。
与多种微材料/纳米材料具有广泛的兼容性：SiO₂、TiO₂、金刚石纳米颗粒、Fe₃O₄、WO₃、Al₂O₃、Ag和CdTe
借助精确的空间控制和广泛的材料适用性，可以构建空间编码多种功能材料的微结构，因此该技术在开发具有按需功能的微器件方面具有潜力。作为概念验证，研究人员展示了具有针对微小物体定制分离能力的微流控芯片、具有多模态运动的多场驱动微型机器人。
按需构建多功能微器件
总的来说，2PP技术虽能制造三维微米或纳米结构，但材料的选择存在局限。将3D打印与其他领域常用方法相组合的制造策略，克服了这一局限，能够制造金刚石、金属、金属氧化物、量子点等在内的多种材料的三维微结构或纳米结构，因此它为先进材料创新和微型器件开发开辟了新的机遇，也为胶体机器人、微光子学/纳米光子学、催化和微流控等领域的广泛应用提供了新可能。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。
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