2026年第二篇3D打印《Nature》論文，攻克金屬/陶瓷3D微納制造

導(dǎo)讀： 2026年剛剛過去1個月，3D打印領(lǐng)域就在《Nature》雜志發(fā)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(lǐng)域第二篇Nature論文發(fā)表，來自德國馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所（通訊作者單位）的研究人員帶來一項革命性技術(shù)—— 光流體3D微納制造方法 ，成功突破傳統(tǒng)3D打印材料限制，為微型設(shè)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(shù)改變了人們構(gòu)建微小物體的方式，讓制造復(fù)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(shù)憑借其極高的分辨率和構(gòu)建任意形狀的能力，成為微納制造的領(lǐng)軍技術(shù)之一。但這項技術(shù)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(xué)家們嘗試過將無機納米晶體摻雜進(jìn)聚合物中，但這些方法依然無法擺脫對特定化學(xué)性質(zhì)的依賴， 難以實現(xiàn)金屬、陶瓷或半導(dǎo)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(gòu)建復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)，是微納制造領(lǐng)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(tǒng)研究所）、ETH Zürich(蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院) 以及 National University of Singapore（新加坡國立大學(xué)） 等機構(gòu)的研究團(tuán)隊，開發(fā)了名為“ 光流控3D微納制造 ”的全新技術(shù)策略。這項技術(shù)巧妙地結(jié)合了 傳統(tǒng)的2PP打印與光流控組裝，擺脫了材料化學(xué)性質(zhì)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(jié)構(gòu)。這一突破為微型機器人、微流控芯片以及微納光子學(xué)等領(lǐng)域帶來了無限可能，讓微型器件的功能設(shè)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(dǎo)局部溫度梯度，產(chǎn)生強對流，引導(dǎo)微/納米顆粒進(jìn)入2PP打印的中空微模板內(nèi)進(jìn)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(xì)節(jié)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(jié)構(gòu)的SEM圖像。f. 模擬結(jié)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(xué)圖像：展示二氧化硅納米顆粒在中空微立方體內(nèi)的組裝過程。

核心技術(shù)

研究團(tuán)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(shù)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(chǎn)品的形狀。

?隨后，將這個模板浸泡在含有目標(biāo)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(chǎn)生的熱量會在局部形成溫度梯度，進(jìn)而引發(fā)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(nèi)部。在流體力的作用下，顆粒在模板內(nèi)緊密堆積，依靠范德華力形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。

?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(biāo)材料構(gòu)成的獨立3D微結(jié)構(gòu)便誕生了。

△組裝機理

為了驗證這種方法的通用性，團(tuán)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(jié)構(gòu)。他們甚至實現(xiàn)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?！捌础背鲎帜?。

△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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。m-o. 二氧化鈦納米顆粒組裝的螺絲狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)，研究團(tuán)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(xiàn)了對不同尺寸微粒的高效分離。與此同時，他們還構(gòu)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(qū)動下翻滾，或在紫外光照射下進(jìn)行自泳運動。這些成果有力地證明，光流控3D制造技術(shù)能夠輕松應(yīng)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)與多材料集成的挑戰(zhàn)。

△按需構(gòu)建多功能微器件。a-e. 微流控篩分器件：利用膠體微閥實現(xiàn)毛細(xì)力驅(qū)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(qū)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(tài)運動（磁性牽引、光驅(qū)逆時針旋轉(zhuǎn)、化學(xué)驅(qū)動順時針旋轉(zhuǎn)）。

微納領(lǐng)域的廣闊前景

這項光流控3D微納制造技術(shù)，通過物理手段（光與流體）而非化學(xué)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(jìn)一步提升，這種方法有望在催化科學(xué)、生物傳感以及微型醫(yī)療機器人領(lǐng)域大放異彩，為制造下一代高性能微納器件奠定基礎(chǔ)。