Nature: 材料科学×流体力学：流体力学驱动的通用三维微纳米制造新策略

三维微纳制造技术是材料科学、微流控与微型器件研究中的关键工具。近年来，双光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）等三维打印技术在空间分辨率和结构复杂性方面不断突破，使得任意自由形态的三维微结构成为可能。然而，与结构设计能力的快速提升形成鲜明对比的是，能够直接参与三维制造的材料体系仍然高度受限。这一矛盾在很大程度上限制了微纳结构从“几何展示”走向“多功能材料与器件”的实际应用。

针对这一长期瓶颈，来自材料科学与流体力学领域的合作团队提出了一种不同于传统思路的解决路径：不再试图通过复杂的化学体系来“适配”三维打印工艺，而是引入流体力学作为核心物理机制，在受限三维空间内主动组织材料本身。从这一角度看，三维微纳制造中“材料受限”的问题，或许并非一个纯粹的材料或化学问题，而是一个尚未被充分挖掘的流动、输运与组装问题。当目标材料以微/纳米颗粒的形式存在时，决定其能否构筑三维结构的关键，可能并不在于是否发生新的化学反应，而在于这些颗粒能否被有效地输运进特定三维空间，并在其中稳定地“留下来”。

该研究成果以“Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication”为题于2026年1月28日发表在Nature 期刊上。论文第一作者为德国马克思-普朗克研究所和瑞士苏黎世联邦理工学院的吕相龙博士（现为德国卡尔斯鲁厄理工学院博士后）；通讯作者为新加坡国立大学张明超教授和德国马克思–普朗克研究所 Metin Sitti 教授（现为土耳其科奇大学校长）；瑞典皇家理工学院雷文海博士、Shervin Bagheri 教授以及德国马克思–普朗克研究所的 Gaurav Gardi 博士和 Muhammad Turab Ali Khan 博士为论文合作者。德国马克思-普朗克研究所及新加坡国立大学的材料科学团队完成了研究的实验部分，瑞典皇家理工学院的流体力学团队完成了研究的数值模拟及理论分析部分。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10033-x

核心思路：不再直接“打印材料”，而是“组织材料”

研究团队提出了一种不同于传统三维打印的制造策略。该策略并不试图开发新的光刻胶或功能化前驱体，而是将三维制造过程拆解为两个相对独立、但高度协同的步骤。

首先，利用成熟的双光子聚合（2PP）技术打印一个空心的三维聚合物模板。在这一步中，2PP 仅承担“几何定义”的角色，而不再决定最终材料属性。随后，将该模板置于含有目标材料微/纳米颗粒的悬浮液中，并在模板开口附近施加飞秒激光。激光在微尺度空间内引入高度局域的热输入，进而触发稳定而可控的流体流动。在这一流动的驱动下，悬浮于溶液中的颗粒被持续输运至模板内部，并逐步完成致密组装。模板移除后，最终获得的是一个完全由目标材料本身构成的三维微/纳米结构，如下图所示。

图0｜二氧化硅纳米颗粒自组装形成的头发丝大小的羊角包结构

从材料科学角度看：这种方法带来了什么改变？

该方法首先显著拓展了三维制造的材料通用性。在实验中，研究团队成功实现了包括二氧化硅、金属氧化物、磁性纳米颗粒、金属纳米材料以及量子点在内的多种材料体系的三维组装。材料的具体化学组成并非决定性因素，关键在于其能否作为颗粒被流动有效携带。其次，该方法实现的是真正意义上的三维体结构。颗粒在模板内部完成体填充并形成自支撑结构，而不仅仅是表面沉积或二维排列。通过后续退火等处理，颗粒之间的连接强度还可以进一步增强，从而满足器件层面的力学稳定性需求。更进一步，这种制造策略天然适合于功能器件的构筑。例如，我们展示了具有尺寸筛分能力的三维微流控阀，以及集成多种功能材料、可在不同外场下实现多模态运动的微型机器人。

流体力学在其中真正解决了什么问题？

如果说材料科学决定了“使用什么材料、实现什么功能”，那么流体力学解决的则是：这些材料如何在微尺度三维空间内被高效、稳定且可预测地输运和安置。飞秒激光引入的局域热源在微尺度下产生显著的温度梯度与密度差，从而驱动浮力主导的自然对流；在特定条件下，还可能伴随气泡生成与马儿高尼流。这一系列传热-传质过程共同决定了局部流速、流场结构以及颗粒通量。更为关键的是，颗粒是否能够在模板内部“留下来”，取决于流场对颗粒的作用以及颗粒间相互作用的竞争。一方面，流场对颗粒的Stokes 拖曳力倾向于使颗粒随流迁移，速度太小无法驱动颗粒，而太大又使得拒绝的颗粒被打散；另一方面，DLVO(范德华力和静电力) 相互作用等则促进颗粒聚集（颗粒悬浮液体系需要保证范德华力大于静电力的前提条件）。当颗粒间相互作用能够抵消流场对颗粒所做的功时，稳定的三维组装才得以实现。这一物理判据使得三维组装窗口与失效边界具备可预测性，并可自然表示为一个“流速–颗粒相互作用强度”的相图。

论文简介

摘要：本文提出了一种通用的三维微/纳米制造策略，通过精确操控受限空间内的光–流体耦合过程，实现多种微/纳米材料的三维组装。该方法首先利用双光子聚合打印空心三维模板，随后在模板开口处施加飞秒激光，诱导强烈且局域的温度梯度，从而驱动流体对流并将悬浮于溶液中的微/纳米颗粒持续输运至模板内部完成致密组装。该策略适用于多种材料体系，包括金属、金属氧化物、纳米线与量子点等。通过实验、数值模拟与理论分析，研究揭示了颗粒输运、流体力学作用与颗粒间相互作用之间的竞争关系，并建立了可预测三维组装行为的物理判据。该方法为突破传统三维微纳制造的材料限制提供了新的物理途径。

图1｜光-流体耦合三维微/纳米制造的基本原理。 (a) 利用双光子聚合打印空心三维模板，并在模板开口处施加飞秒激光的示意图；(b-c) 由微/纳米颗粒组装形成的三维结构的扫描电子显微镜图像；(d-e) 数值模拟得到的温度分布与流场结构，展示了局域热驱动对流在颗粒输运中的关键作用。

图2｜流体力学作用与颗粒相互作用的竞争机制。 通过调节溶液条件与流速，系统研究了 Stokes 拖曳力与颗粒间 DLVO 相互作用之间的竞争关系，并构建了描述颗粒是否能够稳定组装的物理判据。

图3｜不同溶剂体系与表面条件下的三维组装行为。 展示了在水相、有机溶剂以及添加表面活性剂等条件下，颗粒组装效率与结构质量的变化，表明该方法对材料和体系具有良好的通用性。

图4｜多材料三维结构与功能器件示例。 展示了由不同材料组装形成的三维微结构，以及基于该方法构筑的微流控筛分器件和多模态驱动微型机器人，体现了该制造策略在功能器件层面的潜力。

结论：本研究表明，通过在受限三维空间内引入受控的光–流体耦合过程，可以将三维微纳制造问题重新表述为一个非平衡输运与颗粒组装问题。流体力学在其中不仅承担输运角色，而且决定了组装的稳定性与可预测性。该工作强调了材料制造中固有的物理过程，为未来三维微纳制造、微流控器件设计以及多功能材料构筑提供了一种具有普适性的物理框架。

结语：当材料科学开始被流体力学所塑造

在微纳尺度，材料不再只是被动加工的对象，而是被流动携带、筛选，并在非平衡条件下被精确组织的参与者。基于这一认识，我们相信，未来越来越多的材料制造策略，将建立在材料科学与流体力学的深度融合之上。在这一背景下，真正通用的三维制造方法，往往不是来自更复杂的化学体系，而是源于对流动本身更深刻的理解与设计。