Nature: 材料科學×流體力學：流體力學驅動的通用三維微納米制造新策略

三維微納制造技術是材料科學、微流控與微型器件研究中的關鍵工具。近年來，雙光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）等三維打印技術在空間分辨率和結構復雜性方面不斷突破，使得任意自由形態的三維微結構成為可能。然而，與結構設計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構從“幾何展示”走向“多功能材料與器件”的實際應用。

針對這一長期瓶頸，來自材料科學與流體力學領域的合作團隊提出了一種不同于傳統思路的解決路徑：不再試圖通過復雜的化學體系來“適配”三維打印工藝，而是引入流體力學作為核心物理機制，在受限三維空間內主動組織材料本身。從這一角度看，三維微納制造中“材料受限”的問題，或許并非一個純粹的材料或化學問題，而是一個尚未被充分挖掘的流動、輸運與組裝問題。當目標材料以微/納米顆粒的形式存在時，決定其能否構筑三維結構的關鍵，可能并不在于是否發生新的化學反應，而在于這些顆粒能否被有效地輸運進特定三維空間，并在其中穩定地“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邦理工學院的呂相龍博士（現為德國卡爾斯魯厄理工學院博士后）；通訊作者為新加坡國立大學張明超教授和德國馬克思–普朗克研究所 Metin?Sitti 教授（現為土耳其科奇大學校長）；瑞典皇家理工學院雷文海博士、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的材料科學團隊完成了研究的實驗部分，瑞典皇家理工學院的流體力學團隊完成了研究的數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”

研究團隊提出了一種不同于傳統三維打印的制造策略。該策略并不試圖開發新的光刻膠或功能化前驅體，而是將三維制造過程拆解為兩個相對獨立、但高度協同的步驟。

首先，利用成熟的雙光子聚合（2PP）技術打印一個空心的三維聚合物模板。在這一步中，2PP 僅承擔“幾何定義”的角色，而不再決定最終材料屬性。隨后，將該模板置于含有目標材料微/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引入高度局域的熱輸入，進而觸發穩定而可控的流體流動。在這一流動的驅動下，懸浮于溶液中的顆粒被持續輸運至模板內部，并逐步完成致密組裝。模板移除后，最終獲得的是一個完全由目標材料本身構成的三維微/納米結構，如下圖所示。

圖0｜二氧化硅納米顆粒自組裝形成的頭發絲大小的羊角包結構

從材料科學角度看：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。在實驗中，研究團隊成功實現了包括二氧化硅、金屬氧化物、磁性納米顆粒、金屬納米材料以及量子點在內的多種材料體系的三維組裝。材料的具體化學組成并非決定性因素，關鍵在于其能否作為顆粒被流動有效攜帶。其次，該方法實現的是真正意義上的三維體結構。顆粒在模板內部完成體填充并形成自支撐結構，而不僅僅是表面沉積或二維排列。通過后續退火等處理，顆粒之間的連接強度還可以進一步增強，從而滿足器件層面的力學穩定性需求。更進一步，這種制造策略天然適合于功能器件的構筑。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、可在不同外場下實現多模態運動的微型機器人。

流體力學在其中真正解決了什么問題？

如果說材料科學決定了“使用什么材料、實現什么功能”，那么流體力學解決的則是：這些材料如何在微尺度三維空間內被高效、穩定且可預測地輸運和安置。飛秒激光引入的局域熱源在微尺度下產生顯著的溫度梯度與密度差，從而驅動浮力主導的自然對流；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-傳質過程共同決定了局部流速、流場結構以及顆粒通量。更為關鍵的是，顆粒是否能夠在模板內部“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，速度太小無法驅動顆粒，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）。當顆粒間相互作用能夠抵消流場對顆粒所做的功時，穩定的三維組裝才得以實現。這一物理判據使得三維組裝窗口與失效邊界具備可預測性，并可自然表示為一個“流速–顆粒相互作用強度”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的光–流體耦合過程，實現多種微/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，誘導強烈且局域的溫度梯度，從而驅動流體對流并將懸浮于溶液中的微/納米顆粒持續輸運至模板內部完成致密組裝。該策略適用于多種材料體系，包括金屬、金屬氧化物、納米線與量子點等。通過實驗、數值模擬與理論分析，研究揭示了顆粒輸運、流體力學作用與顆粒間相互作用之間的競爭關系，并建立了可預測三維組裝行為的物理判據。該方法為突破傳統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構的掃描電子顯微鏡圖像；(d-e) 數值模擬得到的溫度分布與流場結構，展示了局域熱驅動對流在顆粒輸運中的關鍵作用。

圖2｜流體力學作用與顆粒相互作用的競爭機制。 通過調節溶液條件與流速，系統研究了 Stokes 拖曳力與顆粒間 DLVO 相互作用之間的競爭關系，并構建了描述顆粒是否能夠穩定組裝的物理判據。

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、有機溶劑以及添加表面活性劑等條件下，顆粒組裝效率與結構質量的變化，表明該方法對材料和體系具有良好的通用性。

圖4｜多材料三維結構與功能器件示例。 展示了由不同材料組裝形成的三維微結構，以及基于該方法構筑的微流控篩分器件和多模態驅動微型機器人，體現了該制造策略在功能器件層面的潛力。

結論：本研究表明，通過在受限三維空間內引入受控的光–流體耦合過程，可以將三維微納制造問題重新表述為一個非平衡輸運與顆粒組裝問題。流體力學在其中不僅承擔輸運角色，而且決定了組裝的穩定性與可預測性。該工作強調了材料制造中固有的物理過程，為未來三維微納制造、微流控器件設計以及多功能材料構筑提供了一種具有普適性的物理框架。

結語：當材料科學開始被流體力學所塑造

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