新型激光驅動光流控技術可實現金屬和微型機器人的 3D 微打印
在微觀尺度上工作的科學家依靠單一的主導製造技術來構建複雜的 3D 結構。雙光子聚合使得雕刻比人類頭髮絲細得多的物體成為可能，將精密製造推向微米級和納米級。儘管該方法非常準確，但研究人員只能使用主要基於聚合物的材料。這種限制限制了微型設備的功能。醫學、工程和機器人技術中的應用通常需要金屬、半導體或其他功能材料。到目前為止，將此類材料與復雜的 3D 微觀結構相結合仍然遙不可及。馬克斯普朗克智能係統研究所和新加坡國立大學的研究人員現在報告了一種改變這些限制的方法。他們的新方法能夠使用多種材料進行微米級和納米級 3D 製造，超越聚合物並開闢新的設計可能性。該技術依賴於光流控組件，它利用光來控制液體內的流體運動。研究人員將微小顆粒懸浮在液體中，並將飛秒激光聚焦在精確的點上。激光產生驅動流體流動的局部溫差。這種流動主動引導顆粒流向指定位置。科學家將激光器放置在帶有小開口的預製聚合物微模具旁邊。顆粒穿過該開口並聚集在模具內，逐漸形成堅固的結構。 “這項研究的關鍵思想是精確操縱光流控相互作用（光驅動流），引導有限 3D 空間內各種微米或納米粒子的 3D 組裝，”新加坡國立大學助理教授、共同通訊作者 Mingchao 張說。微模具決定了最終的幾何形狀。組裝後，研究人員在後處理步驟中移除聚合物模具。這留下了一個完全由所選材料製成的獨立物體。激光驅動的顆粒組裝 激光不會以化學方式將顆粒結合在一起。相反，物理力穩定了最終的結構。研究人員報告說，對粒子的移動位置和積累方式進行了強有力的控制。該出版物的第一作者 Xianglong Lyu 表示：“飛秒激光會產生局部熱梯度，從而產生強大的氣流，將粒子推向並進入模板，準確地到達我們想要的位置。”光流控 3D 微米和納米加工工藝示意圖。圖片來源：MPI-IS 他在 MPI-IS 進行了這項研究，目前在卡爾斯魯厄理工學院擔任博士後研究員。 “同時，模具可以是任何形狀：從立方體結構到球體、羊角麵包形狀或其他形狀，”Lyu 說。一旦研究人員移除模具，組裝的顆粒就會保持其形狀和尺寸。范德華力將粒子結合在一起。這些力提供了足夠的強度以保持結構機械穩定而無需化學鍵合。微型機器人和設備為了演示實際應用，該團隊製造了幾個工作設備。其中包括在極窄的通道內按尺寸對顆粒進行分類的微型閥。研究人員還建造了由多種材料組成的微型機器人。機器人的反應取決於研究人員如何驅動它們。有些暴露在光線下會移動。其他的則對外部磁場做出反應。這種靈活性使設計人員能夠在單個微觀系統中組合多種功能。 “光流控組裝克服了傳統雙光子聚合的材料限制，”MPI-IS 物理智能部門負責人 Metin Sitti 說道。 “我們的新技術使我們能夠用幾乎任何材料形成微小的 3D 物體。”這些發現表明微型機器人和先進微加工具有更廣泛的可能性。該研究發表在《自然》雜誌上。
已发布: 2026-01-29 00:01:00
