三維微納制造技術(shù)是材料科學(xué)、微流控與微型器件研究中的關(guān)鍵工具。近年來，雙光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）等三維打印技術(shù)在空間分辨率和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面不斷突破，使得任意自由形態(tài)的三維微結(jié)構(gòu)成為可能。然而，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的快速提升形成鮮明對比的是，能夠直接參與三維制造的材料體系仍然高度受限。這一矛盾在很大程度上限制了微納結(jié)構(gòu)從“幾何展示”走向“多功能材料與器件”的實(shí)際應(yīng)用。

針對這一長期瓶頸，來自材料科學(xué)與流體力學(xué)領(lǐng)域的合作團(tuán)隊(duì)提出了一種不同于傳統(tǒng)思路的解決路徑：不再試圖通過復(fù)雜的化學(xué)體系來“適配”三維打印工藝，而是引入流體力學(xué)作為核心物理機(jī)制，在受限三維空間內(nèi)主動(dòng)組織材料本身。從這一角度看，三維微納制造中“材料受限”的問題，或許并非一個(gè)純粹的材料或化學(xué)問題，而是一個(gè)尚未被充分挖掘的流動(dòng)、輸運(yùn)與組裝問題。當(dāng)目標(biāo)材料以微/納米顆粒的形式存在時(shí)，決定其能否構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，可能并不在于是否發(fā)生新的化學(xué)反應(yīng)，而在于這些顆粒能否被有效地輸運(yùn)進(jìn)特定三維空間，并在其中穩(wěn)定地“留下來”。

該研究成果以“Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication”為題于2026年1月28日發(fā)表在Nature 期刊上。論文第一作者為德國馬克思-普朗克研究所和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的呂相龍博士（現(xiàn)為德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院博士后）；通訊作者為新加坡國立大學(xué)張明超教授和德國馬克思–普朗克研究所 Metin?Sitti 教授（現(xiàn)為土耳其科奇大學(xué)校長）；瑞典皇家理工學(xué)院雷文海博士、Shervin?Bagheri 教授以及德國馬克思–普朗克研究所的 Gaurav?Gardi 博士和 Muhammad?Turab?Ali?Khan 博士為論文合作者。德國馬克思-普朗克研究所及新加坡國立大學(xué)的材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了研究的實(shí)驗(yàn)部分，瑞典皇家理工學(xué)院的流體力學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了研究的數(shù)值模擬及理論分析部分。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10033-x

核心思路：不再直接“打印材料”，而是“組織材料”

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種不同于傳統(tǒng)三維打印的制造策略。該策略并不試圖開發(fā)新的光刻膠或功能化前驅(qū)體，而是將三維制造過程拆解為兩個(gè)相對獨(dú)立、但高度協(xié)同的步驟。

首先，利用成熟的雙光子聚合（2PP）技術(shù)打印一個(gè)空心的三維聚合物模板。在這一步中，2PP 僅承擔(dān)“幾何定義”的角色，而不再?zèng)Q定最終材料屬性。隨后，將該模板置于含有目標(biāo)材料微/納米顆粒的懸浮液中，并在模板開口附近施加飛秒激光。激光在微尺度空間內(nèi)引入高度局域的熱輸入，進(jìn)而觸發(fā)穩(wěn)定而可控的流體流動(dòng)。在這一流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下，懸浮于溶液中的顆粒被持續(xù)輸運(yùn)至模板內(nèi)部，并逐步完成致密組裝。模板移除后，最終獲得的是一個(gè)完全由目標(biāo)材料本身構(gòu)成的三維微/納米結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

圖0｜二氧化硅納米顆粒自組裝形成的頭發(fā)絲大小的羊角包結(jié)構(gòu)

從材料科學(xué)角度看：這種方法帶來了什么改變？

該方法首先顯著拓展了三維制造的材料通用性。在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了包括二氧化硅、金屬氧化物、磁性納米顆粒、金屬納米材料以及量子點(diǎn)在內(nèi)的多種材料體系的三維組裝。材料的具體化學(xué)組成并非決定性因素，關(guān)鍵在于其能否作為顆粒被流動(dòng)有效攜帶。其次，該方法實(shí)現(xiàn)的是真正意義上的三維體結(jié)構(gòu)。顆粒在模板內(nèi)部完成體填充并形成自支撐結(jié)構(gòu)，而不僅僅是表面沉積或二維排列。通過后續(xù)退火等處理，顆粒之間的連接強(qiáng)度還可以進(jìn)一步增強(qiáng)，從而滿足器件層面的力學(xué)穩(wěn)定性需求。更進(jìn)一步，這種制造策略天然適合于功能器件的構(gòu)筑。例如，我們展示了具有尺寸篩分能力的三維微流控閥，以及集成多種功能材料、可在不同外場下實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)器人。

流體力學(xué)在其中真正解決了什么問題？

如果說材料科學(xué)決定了“使用什么材料、實(shí)現(xiàn)什么功能”，那么流體力學(xué)解決的則是：這些材料如何在微尺度三維空間內(nèi)被高效、穩(wěn)定且可預(yù)測地輸運(yùn)和安置。飛秒激光引入的局域熱源在微尺度下產(chǎn)生顯著的溫度梯度與密度差，從而驅(qū)動(dòng)浮力主導(dǎo)的自然對流；在特定條件下，還可能伴隨氣泡生成與馬兒高尼流。這一系列傳熱-傳質(zhì)過程共同決定了局部流速、流場結(jié)構(gòu)以及顆粒通量。更為關(guān)鍵的是，顆粒是否能夠在模板內(nèi)部“留下來”，取決于流場對顆粒的作用以及顆粒間相互作用的競爭。一方面，流場對顆粒的Stokes 拖曳力傾向于使顆粒隨流遷移，速度太小無法驅(qū)動(dòng)顆粒，而太大又使得拒絕的顆粒被打散；另一方面，DLVO(范德華力和靜電力) 相互作用等則促進(jìn)顆粒聚集（顆粒懸浮液體系需要保證范德華力大于靜電力的前提條件）。當(dāng)顆粒間相互作用能夠抵消流場對顆粒所做的功時(shí)，穩(wěn)定的三維組裝才得以實(shí)現(xiàn)。這一物理判據(jù)使得三維組裝窗口與失效邊界具備可預(yù)測性，并可自然表示為一個(gè)“流速–顆粒相互作用強(qiáng)度”的相圖。

論文簡介

摘要：本文提出了一種通用的三維微/納米制造策略，通過精確操控受限空間內(nèi)的光–流體耦合過程，實(shí)現(xiàn)多種微/納米材料的三維組裝。該方法首先利用雙光子聚合打印空心三維模板，隨后在模板開口處施加飛秒激光，誘導(dǎo)強(qiáng)烈且局域的溫度梯度，從而驅(qū)動(dòng)流體對流并將懸浮于溶液中的微/納米顆粒持續(xù)輸運(yùn)至模板內(nèi)部完成致密組裝。該策略適用于多種材料體系，包括金屬、金屬氧化物、納米線與量子點(diǎn)等。通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬與理論分析，研究揭示了顆粒輸運(yùn)、流體力學(xué)作用與顆粒間相互作用之間的競爭關(guān)系，并建立了可預(yù)測三維組裝行為的物理判據(jù)。該方法為突破傳統(tǒng)三維微納制造的材料限制提供了新的物理途徑。

圖1｜光-流體耦合三維微/納米制造的基本原理。 (a) 利用雙光子聚合打印空心三維模板，并在模板開口處施加飛秒激光的示意圖；(b-c) 由微/納米顆粒組裝形成的三維結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像；(d-e) 數(shù)值模擬得到的溫度分布與流場結(jié)構(gòu)，展示了局域熱驅(qū)動(dòng)對流在顆粒輸運(yùn)中的關(guān)鍵作用。

圖2｜流體力學(xué)作用與顆粒相互作用的競爭機(jī)制。 通過調(diào)節(jié)溶液條件與流速，系統(tǒng)研究了 Stokes 拖曳力與顆粒間 DLVO 相互作用之間的競爭關(guān)系，并構(gòu)建了描述顆粒是否能夠穩(wěn)定組裝的物理判據(jù)。

圖3｜不同溶劑體系與表面條件下的三維組裝行為。 展示了在水相、有機(jī)溶劑以及添加表面活性劑等條件下，顆粒組裝效率與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化，表明該方法對材料和體系具有良好的通用性。

圖4｜多材料三維結(jié)構(gòu)與功能器件示例。 展示了由不同材料組裝形成的三維微結(jié)構(gòu)，以及基于該方法構(gòu)筑的微流控篩分器件和多模態(tài)驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人，體現(xiàn)了該制造策略在功能器件層面的潛力。

結(jié)論：本研究表明，通過在受限三維空間內(nèi)引入受控的光–流體耦合過程，可以將三維微納制造問題重新表述為一個(gè)非平衡輸運(yùn)與顆粒組裝問題。流體力學(xué)在其中不僅承擔(dān)輸運(yùn)角色，而且決定了組裝的穩(wěn)定性與可預(yù)測性。該工作強(qiáng)調(diào)了材料制造中固有的物理過程，為未來三維微納制造、微流控器件設(shè)計(jì)以及多功能材料構(gòu)筑提供了一種具有普適性的物理框架。

結(jié)語：當(dāng)材料科學(xué)開始被流體力學(xué)所塑造

在微納尺度，材料不再只是被動(dòng)加工的對象，而是被流動(dòng)攜帶、篩選，并在非平衡條件下被精確組織的參與者。基于這一認(rèn)識(shí)，我們相信，未來越來越多的材料制造策略，將建立在材料科學(xué)與流體力學(xué)的深度融合之上。在這一背景下，真正通用的三維制造方法，往往不是來自更復(fù)雜的化學(xué)體系，而是源于對流動(dòng)本身更深刻的理解與設(shè)計(jì)。