新型激光驅(qū)動(dòng)光流體技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬與微型機(jī)器人的3D微納打印

該方法突破了傳統(tǒng)雙光子聚合技術(shù)主要依賴聚合物的關(guān)鍵限制。

在微觀尺度開展研究的科學(xué)家長(zhǎng)期以來依賴單一主流制造技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。雙光子聚合技術(shù)使得制造比人類發(fā)絲更精細(xì)的物體成為可能，將精密制造推入微米和納米尺度。

盡管精度卓越，該方法將研究人員局限于使用以聚合物為主的材料。這種限制制約了微型設(shè)備的功能拓展——醫(yī)學(xué)、工程和機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用往往需要金屬、半導(dǎo)體或其他功能材料。此前，將這些材料與復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)結(jié)合始終難以實(shí)現(xiàn)。

來自德國(guó)馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所和新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)日前報(bào)告了一項(xiàng)突破性方法。他們的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了涵蓋多種材料的微納尺度三維制造，超越聚合物范疇并開啟全新設(shè)計(jì)可能。該技術(shù)基于光流體組裝原理，利用光控制液體內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)。

研究人員將微觀粒子懸浮于流體中，并將飛秒激光聚焦于精確點(diǎn)位。激光產(chǎn)生的局部溫差驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)將粒子引導(dǎo)至預(yù)設(shè)位置。科學(xué)家將激光定位在帶有微型開口的預(yù)制聚合物模具旁，粒子通過開口進(jìn)入模具內(nèi)部逐漸聚集成固體結(jié)構(gòu)。

共同通訊作者、新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授張明超解釋道："本研究的關(guān)鍵在于精確操控光流體相互作用（光驅(qū)動(dòng)流），在受限三維空間內(nèi)引導(dǎo)各類微納粒子進(jìn)行三維組裝。"模具決定最終幾何形狀，組裝完成后通過后處理移除聚合物模具，即可獲得完全由選定材料構(gòu)成的自支撐物體。

激光驅(qū)動(dòng)粒子組裝

激光并不通過化學(xué)方式結(jié)合粒子，而是依靠物理作用穩(wěn)定最終結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與累積方式的精準(zhǔn)控制。論文第一作者呂祥龍指出："飛秒激光誘導(dǎo)的局部熱梯度產(chǎn)生強(qiáng)勁流場(chǎng)，精確推動(dòng)粒子進(jìn)入預(yù)定模板位置。模具可采用立方體、球體、新月形等多種幾何構(gòu)型。"模具移除后，組裝粒子通過范德華力維持形狀與尺寸穩(wěn)定，無需化學(xué)鍵合即可保持機(jī)械強(qiáng)度。

微型機(jī)器人與器件

為展示實(shí)際應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)制造了多種功能器件，包括在極窄通道內(nèi)按尺寸分選顆粒的微閥，以及由多種材料構(gòu)成的微型機(jī)器人。這些機(jī)器人根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式呈現(xiàn)不同響應(yīng)：部分在光照下運(yùn)動(dòng)，另一些對(duì)外部磁場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)。這種靈活性使得設(shè)計(jì)者能在單一微觀系統(tǒng)中集成多種功能。

領(lǐng)導(dǎo)MPI-IS物理智能部門的梅廷·西蒂表示："光流體組裝克服了傳統(tǒng)雙光子聚合的材料限制，新技術(shù)幾乎能用任何材料構(gòu)造微型三維物體。"該發(fā)現(xiàn)為微尺度機(jī)器人與先進(jìn)微加工領(lǐng)域開辟了更廣闊前景。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然》期刊。

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