技术突破：光流体微纳3D打印，登上《Nature》

南极熊导读：2026年的第二篇3D打印Nature论文来了。

2026年1月31日，南极熊获悉，2026年3D打印领域第二篇Nature论文发表，来自德国马克斯·普朗克智能系统研究所（通讯作者单位）的研究人员带来一项革命性技术——光流体3D微纳制造方法，成功突破传统3D打印材料限制，为微型设备制造开辟新路径。

研究背景：微纳制造的“材料困境”

3D微纳制造技术改变了人们构建微小物体的方式，让制造复杂的微型机器人、微致动器和光子器件成为可能。在过去二十年中，双光子聚合（2PP）技术凭借其极高的分辨率和构建任意形状的能力，成为微纳制造的领军技术之一。但这项技术存在一个明显的短板：它极度依赖光敏聚合物材料。虽然科学家们尝试过将无机纳米晶体掺杂进聚合物中，但这些方法依然无法摆脱对特定化学性质的依赖，难以实现金属、陶瓷或半导体等多种材料的纯相3D打印。如何打破这种材料限制，用任意材料构建复杂的3D微结构，是微纳制造领域亟待解决的难题。

研究意义：开启通用型3D微纳制造新篇章

这项研究提出了一种极具普适性的解决方案。来自 Max Planck Institute for Intelligent Systems(马克斯·普朗克智能系统研究所）、ETH Zürich(苏黎世联邦理工学院) 以及 National University of Singapore（新加坡国立大学） 等机构的研究团队，开发了名为“光流控3D微纳制造”的全新技术策略。这项技术巧妙地结合了传统的2PP打印与光流控组装，摆脱了材料化学性质的束缚。无论是金属、金属氧化物、碳纳米材料还是量子点，都能被加工成任意形状的3D微结构。这一突破为微型机器人、微流控芯片以及微纳光子学等领域带来了无限可能，让微型器件的功能设计不再受限于材料本身。

△光流控3D微纳制造概念图。a. 工艺示意图：飞秒激光加热诱导局部温度梯度，产生强对流，引导微/纳米颗粒进入2PP打印的中空微模板内进行3D组装。b, c. 二氧化硅胶体颗粒组装成的微立方体及其放大细节的SEM图像。d, e. 由二氧化硅组装成的具有3D曲面的悬空牛角包形状微结构的SEM图像。f. 模拟结果：展示激光加热后中空微立方体周围的温度分布和流体场。g. 示意图和延时光学图像：展示二氧化硅纳米颗粒在中空微立方体内的组装过程。

核心技术

研究团队的核心思路是“先造模，后填充”，整个过程分为三步：
•首先，利用成熟的2PP技术打印出带有开口的中空聚合物微模板。这个模板就像是一个微小的模具，确定了最终产品的形状。

•随后，将这个模板浸泡在含有目标纳米颗粒的溶液中。研究人员使用飞秒激光照射模板开口附近。激光产生的热量会在局部形成温度梯度，进而引发强烈的对流。这股流体就像一台微型“吸尘器”，将周围悬浮的纳米颗粒源源不断地卷入模板内部。在流体力的作用下，颗粒在模板内紧密堆积，依靠范德华力形成稳固的结构。

•最后，通过等离子体清洗或高温退火去除外部的聚合物模板，一个完全由目标材料构成的独立3D微结构便诞生了。

△组装机理

为了验证这种方法的通用性，团队测试了二氧化硅、金、氧化铁、金刚石、量子点等多种截然不同的材料，均成功制造出了高精度的3D结构。他们甚至实现了不同材料的定点组装，例如在一个微型底座上分别用不同尺寸的颗粒“拼”出字母。

△广泛的微/纳米材料兼容性。a-c. 1微米二氧化硅颗粒组装的微型葫芦结构的3D模型及SEM图像。d-f. 600纳米二氧化硅颗粒组装的六边形微结构的3D模型及SEM图像。g-i. 不同尺寸二氧化硅颗粒共组装微球的模型及SEM图像。j-l. 定点组装不同尺寸颗粒形成的字母“P”和“I”结构。m-o. 二氧化钛纳米颗粒组装的螺丝状结构模型、SEM及TEM图像。p-r. 四氧化三铁纳米颗粒组装的字母“E”结构模型、SEM及TEM图像。s-z. 多种材料（二氧化硅、二氧化钛纳米线、氧化钨纳米线、金刚石纳米颗粒、氧化铝纳米线、四氧化三铁纳米颗粒、银纳米颗粒）组装微立方体的模型、SEM图像及EDS元素映射。

多功能微器件的实证

基于这一技术，研究团队成功展示了多种功能性微器件：
他们制造了一种微流控阀门，利用纳米颗粒堆积形成的微小孔隙，实现了对不同尺寸微粒的高效分离。与此同时，他们还构建了集成了四种不同功能材料的微型机器人。这种机器人拥有磁性、光催化等多种特性，能在磁场驱动下翻滚，或在紫外光照射下进行自泳运动。这些成果有力地证明，光流控3D制造技术能够轻松应对复杂结构与多材料集成的挑战。

△按需构建多功能微器件。a-e. 微流控筛分器件：利用胶体微阀实现毛细力驱动的流体分离，成功拦截500纳米聚苯乙烯球和100纳米PLGA颗粒。f-s. 多场驱动微型机器人：展示了四氧化三铁组装的圆柱体机器人在磁场下的翻滚运动，以及集成金、二氧化钛、铂和四氧化三铁的L型机器人在磁场、紫外光和过氧化氢溶液中的多模态运动（磁性牵引、光驱逆时针旋转、化学驱动顺时针旋转）。

微纳领域的广阔前景

这项光流控3D微纳制造技术，通过物理手段（光与流体）而非化学键合来操控材料，从根本上解决了微纳制造中的材料兼容性问题。未来，随着对流体控制精度的进一步提升，这种方法有望在催化科学、生物传感以及微型医疗机器人领域大放异彩，为制造下一代高性能微纳器件奠定基础。

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