这项由德国马克斯·普朗克智能系统研究所、苏黎世联邦理工学院、新加坡国立大学和科奇大学等机构联合开发的“光流控三维微纳制造”技术，无疑是微纳制造领域的一项革命性突破。它巧妙地绕过了传统双光子聚合（2PP）技术的材料瓶颈，将高精度三维几何成型与多功能材料集成分离，为制造下一代智能微系统开辟了全新路径。
图片展示了光流控3D微纳制造过程的示意图。图片由作者提供，发表于《自然》杂志
技术核心：从“直接打印”到“光流组装”
传统的高精度3D微纳制造，尤其是双光子聚合（2PP），虽然能以约100纳米的分辨率制造复杂三维结构，但其本质是一种光化学聚合过程，高度依赖于特定的可光固化聚合物单体。这严重限制了其在需要金属、半导体、陶瓷等功能材料的应用场景中的发展。新技术的关键创新在于“分工协作”：
几何定义：首先，利用成熟的2PP技术，像雕刻微型模具一样，打印出一个中空的、带有开口的聚合物三维模板。这个模板决定了最终产品的形状，可以是立方体、球体，甚至是像牛角面包一样的复杂曲面和悬空结构。
材料组装：将模板浸入含有目标纳米颗粒（如金属、氧化物、量子点等）的分散液中。然后，使用飞秒激光在模板开口附近进行聚焦照射。激光产生的局部瞬时加热会形成陡峭的温度梯度，从而引发强烈的对流和定向流体运动——即“光流体效应”。这种“光流”像一只无形的手，精确地将悬浮的纳米颗粒推入并填充到预设的模板空腔内。
成型与后处理：颗粒在模板内不断堆积，最终形成致密的三维结构。随后，通过等离子体处理或高温烧结等方法去除聚合物模板，留下一个完全由目标纳米材料构成的自支撑微结构。颗粒之间主要依靠范德华力结合，通过后续退火等处理可以进一步增强机械强度。
理论突破与工艺可控性
这项技术的成功并非偶然，它建立在坚实的胶体物理学基础之上。研究人员指出，成功的组装取决于颗粒间相互作用与颗粒-流体相互作用之间的微妙平衡。具体而言，颗粒之间的吸引力（可用DLVO理论描述）必须克服激光诱导流动产生的流体动力拖拽力。通过系统调节溶液的离子强度、溶剂组成、表面活性剂浓度以及激光扫描速度，研究团队建立了可预测的颗粒聚集与分散相图，使得组装过程可以像“配方”一样被精确调控，以实现稳定和高效的制造。例如，在二氧化硅模型系统中，他们确定了约300 µm/s的临界流速阈值，低于此值颗粒便能可靠地发生聚集。据报道，组装速率可达每分钟10⁵颗粒量级，这远超典型的光学组装技术，为实际微器件制造提供了可行的生产通量。
理论相图和实验结果表明，不同浓度的NaCl和流速对二氧化硅（SiO2）颗粒聚集的影响。图片由作者提供，发表于《自然》杂志
广泛的材料兼容性与多功能集成
该技术最显著的优势是其近乎普适的材料兼容性。研究已成功演示了使用二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、银、铂、钛酸钡等纳米颗粒，以及硒化镉/硫化锌量子点、金纳米棒乃至金刚石纳米颗粒等多种材料进行三维组装。由于驱动组装的毛细力或光流体效应是一种非特异性的物理相互作用，不依赖于材料的特定化学属性，因此该技术理论上适用于绝大多数纳米材料。
更重要的是，它支持多材料异构集成。通过位点选择性或顺序组装，可以在同一个微结构上集成多种功能材料。这项能力在研究中达到了一个高峰：团队制造了一个L形的微型机器人，其中集成了四种不同的功能材料，使其能够响应多种外部刺激（如磁场、光）。这标志着从制造单一结构向制造真正“智能”且功能丰富的微系统迈出了关键一步。
理论相图和实验结果表明，不同浓度的NaCl和流速对二氧化硅（SiO2）颗粒聚集的影响。图片由作者提供，发表于《自然》杂志
应用示范：从微流控到微型机器人
研究不仅展示了结构制造能力，更通过功能性器件证明了其应用潜力：
微流控器件：例如，制造了三维多孔微阀，可嵌入微流道中，根据尺寸对纳米颗粒进行筛分和富集，展示了在芯片实验室中进行复杂样品处理的能力。
多功能微型机器人：如前所述，通过集成磁性材料（如Fe₃O₄）、光催化材料（如TiO₂）等，制造出的微型机器人可以实现翻滚、直线推进、旋转等多种运动模式，并能响应磁场、紫外光或化学燃料。这为未来开发用于靶向药物输送、体内微手术或环境监测的智能微机器人奠定了基础。
总结与展望
这项“光流控三维微纳制造”技术，代表了微纳制造范式的一个重要转变：从“用有限的材料打印”转向“为无限的材料组装”。它将2PP无与伦比的几何设计自由与几乎无限的材料选择相结合，极大地扩展了微纳器件的设计空间。
这项突破与马普智能系统研究所团队在磁性软体机器人和3D磁功能微器件制造方面的其他前沿工作一脉相承，共同致力于解决微尺度下复杂材料、几何与功能集成制造的挑战。展望未来，该技术有望在生物医学工程（如可降解药物载体、组织工程支架）、微型机器人、微纳光子学/电子学（如超材料、光学传感器）以及微流控等领域产生深远影响。它为科学家和工程师提供了一套全新的“微观工具箱”，使我们能够像搭积木一样，用各种功能纳米材料构建出曾经只存在于想象中的复杂三维微系统，真正开启了“万物皆可雕”的微纳制造新时代。
中国3D打印网编译文章！
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