横跨多尺度的3D纳米打印技术面世，成品最细只有113纳米

3D 打印出来的线条最细只有 113 纳米，比最小的病毒还要小？这是近期一篇 Nature 论文所展示的 3D 打印精度。

许多人都见过 3D 打印，一个喷头慢慢移动，一点一点堆出形状，打印一个简单的小玩意需要等待几小时。如果想打印精细到纳米级别的东西，比如打印比头发丝还细上千倍的结构速度就更慢了，可能以整体只能做出一小块。

上述论文由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 Xiaoxing Xia 团队和斯坦福大学的 Jonathan Fan 课题组合作完成，他们让这个速度从慢吞吞变得可以直接起飞，他们将超透镜排成阵列，一次性生成 12 万多个聚焦光斑同时进行打印。这套系统叫做超透镜阵列双光子光刻，名字听着复杂，但其原理可以这样理解，以前是一个雕刻刀慢慢刻，现在是 12 万把雕刻刀一起开工。

打印速度达到每秒 1.2 亿个体素，体素就是 3D 中的像素点，是 3D 打印的最小单位，这个速度比传统双光子光刻快了几个数量级。

谷松韵告诉 DeepTech：“我们真正首次实现了几个厘米尺度的三维纳米加工，理论上可以用来打印各种各样的纳米系统和功能性的复杂结构。”

比如，可以应用在芯片制造里，加工大面积的神经探针，做集成光子学的器件，实现复杂的量子计算，甚至用在高能激光物理领域。

通过使用这套系统他们只花了不到两个小时，就打印出来了劳伦斯利弗莫尔国家实验室和斯坦福大学的标志，每个标志有 3 厘米长，线条细节在纳米级别。如果使用传统方法，同样的任务需要一个月以上，而且因为要反复拼接，很容易出现错位和瑕疵。

这套系统的核心是超透镜阵列，超透镜是一种平面镜头，表面刻满了比波长还小的纳米结构，可以精确控制光的相位。和传统镜头相比，超透镜的优势很明显：可以做得很大，可以排成阵列，可以浸在树脂里工作，而且能够承受高功率激光。

研究团队使用了两组超透镜阵列。一组是 50 乘 50 的阵列，每个透镜 200 微米大小，数值孔径 1.0，适合高精度打印。另一组是 370 乘 350 的阵列，每个透镜 100 微米大小，数值孔径 0.8，总共有 12 万多个透镜，覆盖面积 12 平方厘米，适合高速量产。

激光经过空间光调制器整形之后，投射到超透镜阵列上，每个透镜都会产生一个聚焦光斑。空间光调制器就像一个动态的模板，可以控制每个光斑的高度，甚至可以单独开关。经过校准之后，这 12 万多个光斑的强度可以做到高度一致，打印出来的线条宽度偏差只有 16.5 纳米。

通过使用这套系统他们展示了一系列应用。

首先是打印了成千上万个微型 3D 小船，每个只有几十微米大小，结构非常精细，有悬空、有穿孔、有锐角，而且个个都一样。这种复制能力对于批量生产微纳器件很重要。使用那个 12 万透镜的大阵列，一天可以打印出 5,000 万个这样的微颗粒。

其次是打印了梯度密度的泡沫材料。这种材料在激光驱动质子加速、梯度超材料、光子晶体等领域有广泛应用。传统方法很难做出这种结构，因为密度需要精确控制，而且变化是渐进的。

此外，他们打印出了可以使用的功能器件。

一个是太赫兹超材料，太赫兹波段介于微波和红外之间，有很多潜在应用，比如安检、通信和生物传感，但是天然材料很难调控太赫兹波。他们打印了许多螺旋结构，每个螺旋直径 120 微米，镀金之后嵌入柔性材料之中。这个器件可以选择性地通过左旋或者右旋的圆偏振太赫兹磁波，还可以把字母 S 编码进去，用太赫兹成像系统读出来。

同时，他们还打印了力学超材料，即打印了三种不同结构的晶格，做成 10 毫米长、5 毫米宽的试件，每种包含 24 万个晶胞。然后在中间刻了一个缺口，通过拉拽测试查看裂纹会如何扩展。要知道，使用传统方法做这种实验根本不可能，因为要打印这么大尺寸的样品，时间太长，而且拼接缺陷会影响结果。

结果很有意思，八隅体晶格最硬，但是拉到 320 微米就会发生脆断。开尔文晶格稍微软一点，可以拉到 362 微米，裂纹扩展稍慢一些。最特别的是链甲晶格，其由上下堆叠的截角四面体笼子组成，相邻单元像锁子甲一样互相扣住但却没有刚性连接。

这种结构拉到 1,914 微米才断裂，韧性远超另外两种。当裂纹扩展的时候，应力不是集中在尖端，而是分散到一大片区域，单元之间不断调整位置，让裂纹两边交替前进。

这个案例说明，有了高速、高精度的 3D 打印，人们可以探索以前做不了的实验，从而发现新的材料现象。这套方法还可以加以进一步扩展，使用更大的超透镜阵列、更先进的空间光调制器、更高功率的激光器，速度可以推到每秒 100 亿体素以上。当然，数据量也会爆炸式增长，到时也需要更好的算法来压缩和处理。

对此，谷松韵表示：“对于这样一个多尺度的复杂加工系统，很难再依靠人力实现大范围误差的矫正。举个例子，我们的打印尺寸是分辨率的几十万倍，从而没有监控系统能同时看清整个加工范围和精细结构，那我们要如何推断系统是否正常运行？因此，我们也正在探索如何把 AI 引入到 3D 纳米加工里面来。”

参考资料：

相关论文https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x

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