光流体三维微加工与纳米加工

用光与液体构建微小机器

想象能用一束光操控纳米颗粒云，构建比一粒砂还小的工作机构——阀门、过滤器甚至微型机器人。本文介绍了一种将多种材料“打印”为三维微纳结构的新方法，克服了长期以来在微小尺度上制造器件的诸多限制。

为何现有的微小三维打印不够理想

目前最精细的三维“纳米打印”大多依赖于在紧密聚焦的激光照射下固化的特殊塑料。这种称为双光子聚合的方法可以绘出极其精细的结构，但最适用于专门设计的光敏聚合物。将金属、陶瓷或量子点转成类似的“墨水”是可行的，但过程复杂，而且每种材料通常需要定制化学体系。因此，想要制造微型透镜、催化剂或微型机器人时，工程师常常不得不在理想材料与可打印性之间做出妥协。

把光驱动的流体当作纳米扫帚

作者将现有三维打印的优势与一种新的物理技巧结合起来。首先，他们用常规激光打印机制作一个空心“外壳”——一个带有一个或多个开口的空心聚合物模板，形状可为立方体、葫芦、阀门或机器人框架。这个外壳置于充满悬浮纳米颗粒的液体中。然后，在一个开口附近聚焦一个非常短促、强烈的激光脉冲。该点局部加热液体，产生尖锐的温度梯度，从而搅动流体。由光驱动的流动像显微级的扫帚，将大量颗粒扫入空心模板，在那里它们逐渐被填充并致密化，形成模板所定义的三维形状。最后，温和去除聚合物外壳，留下由所选材料构成的自由支撑结构。

平衡力使颗粒黏合

在这些尺度上，颗粒是聚集还是分散取决于吸引力、排斥力与周围液体推力之间的拉锯战。研究者表明，通过调整一些简单因素——如水中的盐浓度、溶剂选择、激光功率和扫描速度——可以改变这种平衡。更多的盐或某些油类会削弱颗粒间的天然排斥，帮助它们粘结成稳定簇；而过强的流动则会把它们拉开。团队绘制了聚集与分散的边界图，并证明表面活性剂分子（类似肥皂中的成分）可以精细调节表面张力和气泡形成，使流动既足够把颗粒输送进模板，又不会剧烈到把颗粒簇撕散。

从立方体和字母到过滤器与微型机器人

因为该方法依赖普遍的物理效应而非特殊化学成分，它适用于多种材料：二氧化硅、金属氧化物、金刚石纳米颗粒、银、磁性氧化铁，甚至发光的量子点。团队制造了精细形状，如具纳米级螺纹的螺钉、字母和多材料块体，并将它们转化为可工作的器件。在一个例子中，他们在狭窄通道内嵌入了由颗粒构成的海绵状微阀。液体可以快速流过，但纳米颗粒被滞留并在一侧聚集，实现了尺寸选择性筛分与富集。在另一个例子中，他们组装出对磁场、光和化学燃料有响应的微型机器人，使其在不同刺激下滚动、旋转或游动于不同路径。

这对未来微小技术意味着什么

对非专业读者来说，关键是作者将聚焦激光与颗粒悬浮液变成了一种通用的微观建造工具包。无须为每种新材料发明新“墨水”，他们在预先打印的模板中利用光驱动流动来聚集几乎任何类型的纳米颗粒，形成坚固的三维形状。这大大扩展了可用于微型器件的材料选择。未来，相同策略可用于制造更强大的微型传感器、先进的光学元件、芯片上的催化反应器以及由最适合任务的材料构建的智能微型机器人群，而不再局限于那些容易打印的材料。

引用: Lyu, X., Lei, W., Gardi, G. et al. Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication. Nature 650, 613–620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10033-x

关键词: 三维微加工, 纳米颗粒组装, 光流体学, 微型机器人, 微流控器件