洞察

“ 纳米尺度3D打印技术采用“自下而上”的制造方法，通过精确操控材料的定向沉积，突破了传统工艺的局限，展现出广泛的应用潜力，尤其是在下一代微纳器件的原型设计和多功能结构构建中。”

上海科技大学冯继成课题组邀请综述“Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices”在《Advanced Material Technology》上发表，该工作概览了从3D纳米打印到原子制造的相关基础原理和挑战，讨论了3D纳米打印如何与光刻主导的微纳制造进行对接，甚至取代基于光刻加工策略的主导地位，并从微电子和微纳光学器件的应用举例进行了探讨。此外，本工作也进一步展望了如何将AI并入3D纳米打印和原子制造，为新时代的3D纳米制造技术发展提供了新思路。除学术层面外，本工作还剖析了工业化应用过程中的技术瓶颈，为推动这一领域的发展提供了重要指引。

纳米尺度3D打印技术采用了一种“自下而上”的制造方法，与传统的“自上而下”的光刻技术截然相反。这种创新技术通过精确操控材料的定向沉积，突破了传统工艺在分辨率、材料多样性和空间几何复杂度上的局限，展现出广泛的应用潜力，尤其是在下一代微纳器件的原型设计和多功能结构构建中。作为当前研究热点，3D纳米打印技术已取得诸多突破性进展，但大多数技术仍面临产业化应用瓶颈，其增材制造路径尚未对传统纳米制造领域产生显著影响。在此背景下，作者从技术原理、规模化潜力及未来发展方向等角度，对这一领域进行了全面剖析。

图1现有3D 纳米打印技术概述。实体喷嘴包括：直接墨水书写、电动流体动力喷射打印、弯月面控制直写、原子力显微镜和扫描隧道显微镜。虚拟喷嘴包括：聚焦离子/电子束诱导沉积、双光子聚合、磁场诱导的纳米颗粒组装和法拉第3D打印。

本综述中，作者首先对3D纳米打印技术做了详细的探究，并创新性的以对材料在纳米尺度进行限制的原理将微尺度3D打印方法划分为两大“门派”：实体和虚拟喷嘴（图1）。其中，最早出现使用实体喷嘴的方法是墨水书写（DIW），其后续更新和发展，催生了电流体喷射的EHD以及基于弯液面流体控制的直写方法。而基于虚拟喷嘴的方法无需任何物理接触，通过电场、磁场或激光等远程力来诱导材料的定向沉积，摆脱了物理喷嘴造成的空域限制，具有更高精度和灵活性。

此外，作者重点探讨了3D纳米打印技术与当前以光刻为主导的微纳制造体系的融合潜力，甚至在未来实现替代的可能性。通过对比分析不同技术的规模化可行性、多材料兼容性、原子精度等关键指标，作者评估了各类方法的产业化潜力，并结合微电子和微纳光学器件的实际应用案例进行了深入讨论。然而，作者也强调了纳米级3D打印目前尚存的诸多挑战，包括难以达到高分辨率的规模化生产、材料纯度控制以及后续加工成本高昂等问题。为应对这些挑战，文中提出了通过人工智能优化打印流程、开发新型材料及混合制造策略等方法，进一步释放纳米级3D打印的潜力。

文章总结了纳米级3D打印技术的长期潜力，并展望了它在学术界和工业界可能产生的深远影响。通过不断优化材料选择和制造工艺，这项技术有望成为第四次工业革命的重要驱动力，改变医疗、能源和电子领域的微纳器件的设计方式。

论文标题：Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices

DOI: 10.1002/admt.202500083
更多信息可访问课题组网页：http://www.jcfenglab.com/

来源
材料科学与工程 l

上科大冯继成课题组邀请综述：从3D纳米打印到原子制造

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近年来，随着电子设备的小型化、精密化和功能多样化的发展，微米级增材制造技术在电子行业中扮演着越来越重要的角色。微纳直写打印技术（Micro/Nano Direct Writing Printing Technology）是一种基于增材制造的高精度加工技术，能够直接在基底上沉积材料，形成微米或纳米级的精细结构。与传统的光刻、蚀刻等减材制造工艺相比，微纳直写打印技术具有高精度、灵活性强、材料利用率高等特点，是近年来微纳制造领域的研究热点之一。

 核心特点

• 高精度：能够实现微米级甚至亚微米级的打印分辨率。通过先进的运动控制和材料沉积技术，利用西湖未来研发的高精度打印系统，配合闭环反馈控制系统，可将打印特征尺寸控制精度提升至 ±1 um。
• 灵活性：支持多种材料（导电材料、绝缘材料、生物材料等）和多种基底（刚性、柔性、透明基底等）。支持硅基、玻璃基等材质表面电路加工，亦可在硅胶、PET、PI等基材上打印柔性电路。
• 增材制造：材料利用率高，与传统减材制造工艺不同，微纳直写打印技术是按需添加材料，避免刻蚀技术带来的材料浪费。
• 无掩膜制造：无需传统光刻工艺中的掩膜或模板，降低制造成本。在小批量生产特殊电路时，采用数字化设计和直接打印，将产品开发周期从传统工艺的数周缩短至一天内，尤其适用于个性化、定制化的电子产品制造
• 多功能性：支持在同一台设备上实现电子、光学、生物等多种材料的一体化异质异构集成。
• 高效率：行业首创阵列化微纳直写打印，大大提升加工效率。采用多个打印喷头同时工作，配合优化的运动路径规划和实时监控系统，在制造微纳结构阵列时，可将加工速度提升至传统单喷头打印的 10 倍以上，实现高速、高精度的批量生产。

 微纳直写打印技术的应用

西湖未来智造的微纳直写打印技术在多个领域展现了广阔的应用前景，特别是在电子器件、光学元件、生物医学等方面。

1.柔性电子

应用场景：柔性显示、柔性电路、可穿戴设备。
技术优势：
支持多种导电材料（如银、铜等）、多种介质材料（环氧树脂、光敏树脂、聚酰亚胺等）的混合打印，支持多层结构加工
能够在柔性基底（如有机薄膜、聚酰亚胺）上直接打印电路。
支持复杂图案的快速制造。

2. 先进封装

应用场景：RDL布线、TGV/TSV通孔互联、Bumping/Pillar等
技术优势：
支持多种导电材料（如银、铜等）快速制作微米级电路
支持通孔直径30 μm的过孔金属化
支持银、铜等材料制作高宽比5:1以上的pillar结构直接打印
支持solder bump结构直接打印

3.微电子制造

应用场景：高密度集成电路、传感器、无源器件（电感、电容、电阻、传输线、滤波器、天线等）。
技术优势：
可实现三维电磁结构（如同轴线）制备，高频性能更优。
实现高精度器件的直接打印，无需黄光工艺，尤其适用于产品研发验证阶段，降低制造成本。
实现特殊功能材料（如压电、磁性材料等）的异质集成。

4.传感器与微电子器件

应用场景：制造微传感器和其他微电子元件。
技术优势：
西湖未来智造技术能够在微米尺度下制造高精度的电子结构，适用于微型传感器、MEMS（微机电系统）等领域。
支持复杂结构的快速原型制造和小批量生产。

5.光学器件

应用场景：光波导、微透镜阵列、光栅。
技术优势：
能够制造高精度的光学结构，无需半导体工艺。
可实现微纳光学结构在产品上的直接集成，无需考虑对位问题
产品设计加工自由度高，可实现定制化生产。
材料灵活性强。

6.生物医学

应用场景：生物传感器、组织工程、生物微针、微流控系统。
技术优势：
支持生物材料的精准沉积，用于制造微型多功能生物器件。
在柔性和透明基底上打印复杂结构，适用于多种生物应用。

7.能源器件

应用场景：太阳能电池、电池电极、超级电容器等。
技术优势：
实现高效能量转换和存储器件的制造。
支持多种功能性材料的沉积。

 技术的优势对比

 技术案例：

RDL布线：

PI介质表面精密RDL线路（线路中心距2.5μm，线路后处理条件：300℃ 1h 空气氛围烧结）

精密导电线路加工，最小特征尺寸可达1 μm
可兼容硅、玻璃、陶瓷、金属、PI、PET等基材表面加工

无源器件加工，有源无源集成

可直接打印加工电容、电感、电阻器件等
通过精细互联线路打印，实现有源无源集成

微纳金属3D结构

可以实现1-10 μm级特征线宽尺寸纯三维微纳金属结构打印加工

打印键合线

微纳直写打印Wire Bond线，线宽最小可达5 μm
可实现无焊盘键合互联

打印悬空结构

可打印MEMS悬臂导电结构，悬臂跨度＞200 μm

打印多层电路

可加工多层电路板，加工层数＞4层

打印Pillar结构

可实现高宽比≥5的Pillar结构打印
可应用于POP、AIP封装中的层间互联、金属屏蔽、金属探针等

高温打印bumping结构

支持无助焊剂直接焊料熔融打印植球，支持In-Ag、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Ag-Cu等多种合金熔融打印

晶圆表面制作金属立墙结构（电磁屏蔽）

可用于SiP、射频前端模组的分区屏蔽，替代传统引线键合或激光刻槽填充导电浆料工艺，节省成本，提升屏蔽性能，缩小封装尺寸。支持载板、晶圆等产品原位打印金属屏蔽结构。具备工艺参数的自适应闭环调节能力，在线智能调参，无需人工介入。低至200℃以下的材料后处理烘烤温度

玻璃基通孔金属填充

支持孔径≥30 μm，深宽比≤10的微孔致密金属化填充
可以兼容金属、聚合物等材料填充打印

光子晶体

可实现光子晶体高精度三维结构打印加工

气敏传感器

可实现超小型高灵敏度气体传感器的打印加工和系统集成

芯片散热

可用于芯片模组的FOWLP、FOPLP封装散热，对芯片晶背进行不同厚度散热层打印，提升模组整体散热能力；或可对分立器件顶部进行特定散热微结构打印，制作微型散热器，提升器件载流能力。相比常规散热方式，散热效率提升＞30%

 设备介绍：

西湖未来智造通用型电子增材平台，采用微纳墨水直写（DIW）打印技术，结合独创自研纳米墨水材料，可实现最小具有1-10μm 特征尺寸的高性能金属导电材料、聚合物及复合介质材料的增材制造，可用于精密互联线路、微波天线、无源器件、柔性电路、立体电路等产品打印。

• 最小打印特征尺寸可达1 μm
• 庞大的材料库，可用于不同打印场景
• 可打印2D、2.5D及复杂3D结构
• 支持快拆更换的打印头
• 支持多材料打印
• 可选配机械钻孔、激光刻蚀、原位激光烧结等工艺模块

 材料介绍：

西湖未来智造基于行业领先的微米、亚微米级的金属颗粒和无机填料的合成、生产工艺，以及填料与树脂的分散工艺等核心技术，自主开发可满足1 – 10 微米精度电子增材制造的先进功能材料体系，含括高性能金属浆料体系、高性能树脂浆料体系、有机复合材料体系，根据客户需求的定制化开发，可满足显示、半导体封装、锂电等行业内微米级线路加工、深腔填孔、特殊三维结构构造等应用场景。

 代表性浆料如下：

 公司介绍

西湖未来智造团队自主开发1-10微米精度电子增材设备及与之配套的先进功能材料体系，可实现数十种高性能金属导电材料、聚合物及陶瓷基介质材料、光学、磁性材料的精密三维增材制造。团队已申请国内外专利270余件，已授权专利70余件，参编国家标准7项。团队增材技术方案面向工业级量产需求，应用领域涵盖当下及下一代主流集成电路系统应用，目前产品与解决方案已落地显示、半导体封装、锂电等多个领域并已积累十余家行业标杆客户。公司已被认定为国家高新技术企业、省专精特新中小企业、省高新技术企业研发中心，杭州市准独角兽企业，主持浙江省重大科技项目，入选国家级首台套项目，并获得浙江省领军创业团队支持。

随着电子行业对高精度、小型化和低成本制造的需求不断增加，纳米增材制造技术将迎来更多的应用机会。未来的发展方向包括：

1.规模化生产：与国内龙头企业合作，提升打印工艺的速度和稳定性，适应大规模生产需求。通过优化设备设计、开发自动化生产流程和质量监控系统，实现高效、稳定的大规模生产。计划在未来 3 年内，将设备的生产效率提高 5 倍以上，良率提升至 99% 以上。

2.材料研发：开发更多种类的导电材料和功能性材料，扩展技术的应用范围。深入研究材料的结构与性能关系，通过材料创新推动纳米增材制造技术在更多领域的应用。预计未来 5 年内，开发出数十种新型导电材料和功能性材料，满足不同行业的需求。

3.跨行业应用：除了电子制造领域，还可以应用于生物医学、航空航天等领域。结合不同行业的需求，开发针对性的工艺和材料，拓展技术的应用边界

4.自动化与智能化：结合人工智能和自动化技术，实现打印工艺的智能优化和实时监控。利用机器学习算法优化打印参数，通过传感器实时监测打印过程，提高生产效率和产品质量。

5.合作与生态建设：与电子制造企业和科研机构合作，推动技术的商业化落地和生态系统建设。建立产学研用协同创新机制，促进技术的快速发展和广泛应用。加强与上下游企业的合作，共同打造微纳电子增材制造技术的完整产业链，推动行业的整体发展。

文章来源：材料科学与工程

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洞察

不同的微观结构对应不同的力学性能，柱状晶具有良好的定向生长特性，可使材料在特定方向上具有较高的强度和韧性；等轴晶则具有各向同性的特点，能够使材料在各个方向上具有均匀的性能。通过控制微观结构，可以根据实际应用需求，定制出在特定方向上具有高强度和韧性，同时又在其他方向上保持良好均匀性的材料，从而显著提升产品的整体力学性能。”

 01 导语

在航空航天领域备受关注的增材制造（AM）高强度铝合金，因高循环疲劳性能不足长期制约其工程应用。北京科技大学曲选辉教授、张百成教授研究团队近期取得突破性进展——通过创新性微观结构设计策略，成功将激光粉末床熔合（LPBF）Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的疲劳强度推升至230MPa（107次循环），创下该领域国际最高纪录，其抗拉强度与塑性的综合表现更超越传统锻造工艺。这项发表于国际顶刊的研究，为高性能金属增材制造开辟了全新路径。

 02 颠覆性创新：从”被动接受”到”主动设计”微观结构

传统LPBF工艺制造的铝合金普遍呈现单一柱状晶结构，在循环载荷下易因位错堆积引发早期失效。北京科技大学曲选辉教授研究团队（博士生孙金娥（第一作者），张百成教授（通讯作者），北京科技大学为第一通讯单位）与新加坡南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授，美国加州大学Punit Kumar教授（通讯作者）合作，突破性提出”动态热场调控”策略，通过精准调控激光扫描速度（450-1450 mm/s）与基板温度（25-200℃），在国际上首次实现同一合金体系内柱状晶、等轴晶及”柱状-等轴双晶形”三种微观结构的可控制备，将增材制造从”结构成形”推进到”性能定制”的新维度。

 03 性能登顶：微观结构“裁剪”实现疲劳性能突破

(1) 工艺调控与多晶形态晶粒设计

研究团队通过调整LPBF工艺参数（如扫描速度、基板温度），成功制备了具有柱状晶、等轴晶及双晶形（双峰）微观结构的Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金。其中，双晶结构通过柱状晶与等轴晶的协同分布，实现了230 MPa的疲劳强度（107次循环），较传统LPBF铝合金提升30%以上，创下该领域目前报道的最高值。

(a)TV1、(b) TV2和(c) TV3样品EBSD图；（d-f）极图，分别对应于（a-c）；（g，h）CG和EG的体积分数和晶界偏向角

(a)LPBF制备的TV1、TV2和TV3样品的循环疲劳 S-N曲线，(b)与AM和常规制造工艺制备的其他铝合金相比，LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的最大应力与失效循环次数，(c)采用AM和常规制造工艺制备的LPBF Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金和其他铝合金的疲劳强度与抗拉强度

(2) 双晶结构的协同变形机制

双晶形微观结构在循环载荷下表现出独特的变形协同效应：柱状和等轴晶粒交替分布应变，持续延长应变硬化。这种协同作用不仅提升了HCF性能，还使LCF寿命显著延长。

(a)LPBF TV1、TV2、TV3显微结构的工作硬化速率曲线；(b)为(a)中红色框对应的放大图

等轴/柱状双晶形结构变形示意图

(3）等轴晶的局限性及优化方向

研究发现，完全等轴化结构虽能限制位错往复运动，但晶界处微裂纹的过早形成限制了疲劳强度的进一步提升。这一发现为未来通过晶界工程（如引入纳米析出相或梯度结构）优化疲劳性能提供了理论依据。

(4）强度与塑性的双重优势

力学性能：该合金抗拉强度达475±5–516±6MPa，延伸率约11%，优于传统高强度轧制/ECAP铝合金及同类增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金。
疲劳性能：双晶结构的疲劳强度与完全等轴结构相当，但其LCF抗性更优，展现了多模态微观结构在复杂载荷环境下的应用潜力。

LPBF制备TV1、TV2和TV3样品的应力-应变曲线

 04 工程价值：改写高端装备制造格局

该成果相较于传统工艺：

1.疲劳寿命提升2个数量级，可满足航空发动机叶片等关键件107次循环要求

2.制造成本降低30%（省去后续热处理工序）

3.材料利用率达98%，契合航空航天轻量化与可持续发展需求

工业应用前景：

该成果不仅为航空航天领域的高可靠性部件（如发动机支架、舱体结构）提供了材料设计范式，还可推广至新能源汽车、轨道交通等需兼顾轻量化与耐久性的场景。此外，团队提出的工艺参数优化方案（如扫描策略调整）与现有工业设备兼容，具备快速产业化潜力。

此项研究标志着金属增材制造从“成形控制”迈向“性能定制”的新阶段，为高性能铝合金的疲劳性能优化开辟了创新路径。相关成果已引起国际同行高度关注。

 05 作者介绍

曲选辉 北京科技大学新材料技术研究院 教授 博士生导师

国家重大人才工程入选者，现任先进粉末冶金材料与技术北京市重点实验室主任，国务院学位委员会第八届学科评议组成员，教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员。曾留学加拿大UBC（1986-1988年），曾任材料科学与工程学院院长（2004-2014年）、新材料技术研究院院长（2008-2020年）。主要学术兼职：中国新材料产业技术创新战略联盟副理事长，中国金属学会常务理事兼粉末冶金分会主任委员，《粉末冶金技术》主编，《粉末冶金工业》副主编， Powder Metall , Acta Metall Sinica, Rare Metals, Metals 等10余杂志编委。2023年当选国际先进材料学会会士（IAAM Fellow)。

张百成 北京科技大学新材料技术研究院 教授 博士生导师

主要从事增材制造技术的研究工作，主持过国家自然基金，国家省部级等项目；以第一/通讯作者在Acta Mater.、Scripta Mater.、Metall. Mater. Trans. A/B等行业领域期刊发表论文50余篇，引用4000余次，H因子29，3篇论文入选ESI高被引。授权中国发明专利10余项，在国内外重要学术会议作邀请报告10余次；连续梯度增材制造技术制造系统发明人，该增材制造系统于2019年获得金属加工行业荣格技术创新奖；2024年第49届日内瓦国际发明展金奖；2024年机械工业科学技术奖（技术发明）二等奖；2023年中国有色金属工业科学技术奖（发明）二等奖；担任SCI期刊Materials Today Communications编委，Metal编委，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials（IJMMM）青年编委，《粉末冶金技术》编委；现任中国金属学会粉末冶金分会副秘书长，全国高校黄大年式教师团队骨干成员。

 06 引用本文

Jin’e Sun, Punit Kumar, Pei Wang, Upadrasta Ramamurty, Xuanhui Qu, Baicheng Zhang, Effect of columnar-to-equiaxed microstructural transition on the fatigue performance of a laser powder bed fused high-strength Al alloy, J. Mater. Sci. Technol. 227 (2025) 276-288.

来源
材料科学和技术 l

突破增材制造铝合金疲劳性能瓶颈！北京科技大学曲选辉教授、张百成教授研究团队首创”双晶协同”策略登顶行业新高

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近日，根据德国卡尔斯鲁厄理工学院的发现，通过启用更精确的预补偿，有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。技术的核心在于通过高分辨率成像来识别并补偿打印过程中的偏差，从而提升微光学元件的形状精度和光学性能。借助MNTech纳微领航的分享，本期 与谷友共同领略关于共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

洞察

通过双光子聚合技术，可以精确控制光电子器件的微观结构，从而提高其性能，如提高光电子转换效率、增强信号传输速度等。这对于光通信、光存储、传感器等领域的应用具有重要意义。”

这项研究是由德国卡尔斯鲁厄理工学院的Jannis Weinacker所在团队进行的，发表于Advanced Functional Materials。他们致力于开发一种利用共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术，以提高打印精度和光学性能。

近年来，3D激光纳米打印技术在制造具有光学级表面质量的透明聚合物结构方面取得了显著进展，为微光学元件的灵活制造开辟了广阔的应用前景。这项技术利用飞秒激光诱导光聚合，将液态光刻胶材料在焦点处固化，通过精确控制激光束的路径和能量，逐层构建出所需的微光学结构。团队使用了Nanoscribe Quantum X仪器，这是一款高精度3D激光直写设备，能够实现纳米级的分辨率和亚微米级的结构精度。然而，即使是最先进的3D双光子激光打印系统，仍然存在打印结构与目标结构之间的偏差，限制了其在对精度要求较高的应用中的性能。团队提出了一种创新的预补偿方法，该方法利用共聚焦光学显微镜对打印结构进行高分辨率成像，并通过迭代反馈循环改进打印精度。

3D激光打印作为一种先进的制造技术，允许以高精度和复杂性创建三维物体。在微光学领域，它被用于制造各种元件，如微透镜、衍射光学元件和光栅。然而，该过程的精度受到打印结构和目标结构之间偏差的影响，这些偏差可能由多种因素引起，包括材料收缩、激光束轮廓变化以及打印过程中的环境条件。为了解决这个问题，预补偿技术应运而生。预补偿是一种广泛使用的技术，用于提高3D打印精度。它涉及在打印前修改设计，以补偿预期偏差。

传统的预补偿方法通常依赖于对简单几何形状（如立方体）的测量。然而，这些方法对于复杂的微光学元件来说是不够的，因为它们的精度可能会受到元件复杂几何形状的影响。共聚焦光学显微镜作为一种高分辨率成像技术，可以提供有关3D打印元件表面形貌的详细信息，为更精确的预补偿提供了可能。通过使用共聚焦光学显微镜测量打印结构和目标结构之间的差异，可以获得有价值的数据来改进预补偿过程。

尽管共聚焦光学显微镜提供了高精度的测量数据，但仍然存在一些挑战需要克服。首先，即使使用预补偿算法，打印结构与目标结构之间的系统偏差通常仍大于不可控或“统计”偏差。其次，表征测量本身的噪声和系统误差，以及表征装置和打印机坐标系之间不必要的平移和旋转，都会影响预补偿的精度。此外，设计坐标系和测量数据的精确对准也至关重要。对准不正确会导致计算错误，并在后续打印步骤中引入伪影。局部偏差，如拼接误差和打印光束路径中的高阶光学像差，可能难以纠正。另外，共聚焦测量中的局部误差（例如灰尘颗粒）不应进行预补偿，因为它们与打印过程无关，并且不会系统地出现。

团队提出了一种利用反射共聚焦光学高度测量作为反馈的预补偿技术。该技术针对2.5D结构进行了优化，这些结构在工业中特别受关注，因为激光打印结构可以作为大规模复制的“母版”。预补偿程序包括以下步骤：首先，使用Nanoscribe Quantum X仪器和IP-S光刻胶打印2.5D微光学元件。然后，使用光学显微镜测量打印和显影后的样品的形貌。最后执行预补偿计算。

这项研究的关键创新在于：首先，通过设计数据与共聚焦光学测量数据的图像互相关，确定两个数据集之间的位移，精确到单个像素级别。该算法还可以考虑两个坐标系之间的旋转以及横向方向上的轻微拉伸。其次，由于不假设任何解析模型，因此差异不是针对任何函数参数计算的，而是在两个数据集之间逐像素计算的。因此，该方法还可以校正局部偏差。最后，为了消除测量误差对下一次迭代打印结构的不利影响，应用特定滤波器以特定顺序减少此类误差和测量噪声的大小，而不会消除来自打印本身的偏差。

为了评估所提出的预补偿技术的有效性，团队对两种不同类型的微光学元件进行了实验：折射光学元件（微透镜阵列）和衍射光学元件（DOE）。结果表明，即使是单次预补偿迭代也能显著提高形状精度和光学性能。对于衍射光学元件来说，这种质量提升对其预期应用至关重要。虽然第二次预补偿迭代可以进一步改善结果，但进一步的改进目前受到可用的器件形貌表征方法质量的限制。

总而言之，这项研究提出了一种灵活且有效的预补偿3D激光打印微光学元件的程序。该方法利用共聚焦光学显微镜和图像互相关分析来实现高精度对准和像素级校正。通过减少测量误差的影响并解决局部偏差，该技术可以显著提高打印元件的形状精度和光学性能。此研究成果对3D激光打印微光学元件的制造具有重要意义。通过启用更精确的预补偿，该技术有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。此外，所开发的程序Quandalf可供社区公开使用，促进该领域的进一步研究和开发。

来源
MNTech微纳领航 l

共聚焦显微镜引导的3D激光打印微光学元件迭代预补偿

链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

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双光子聚合技术（Two-Photon Polymerization, TPP）是一种高精度的3D微纳加工技术，它通过精确控制微结构的加工来实现对材料的微纳尺度制造。双光子聚合技术能够精确控制微结构的加工，实现高精度、高分辨率的三维微纳结构制造，广泛应用于微光学、微流体、生物医学和微机电系统等领域。

近日，基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响是一个前沿的研究方向，中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队利用双光子聚合技术制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应。他们的研究为生物医学领域开辟了新的研究方向，并证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性。借助MNTech微纳领航的分享，本期 与谷友共同领略关于3D打印这一前沿领域的突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202311951

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响的研究，为生物医学领域提供了新的视角和工具，有望在组织工程、药物筛选、生物传感器等方面发挥重要作用。”

中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队在Small上发表了相关论文，他们利用先进的双光子聚合技术，制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应，为生物医学领域开辟了新的研究方向。

细胞的行为和命运与其所处的微环境息息相关, 其中细胞外基质 (ECM) 的物理和化学特性发挥着至关重要的作用。ECM 的拓扑结构，特别是其机械特性，如刚度和泊松比, 深刻影响着细胞的粘附、增殖、分化和迁移。为了更好地理解细胞与 ECM 之间的复杂相互作用, 科学家们一直在努力开发能够精确模拟细胞微环境的体外模型, 例如微图案化表面、微流控装置和3D支架等。近年来, 机械超材料以其独特的力学性能和可定制的结构设计, 逐渐成为构建体外模型的新兴平台, 为细胞力学研究提供了强大的工具。

然而，构建能够精确模拟 ECM 机械特性的机械超材料并非易事。首先，制造具有精确可控微观结构的超材料需要高精度和高分辨率的加工技术。传统的制造方法，如光刻和软光刻，在制造复杂的三维结构方面存在局限性，难以满足研究需求。其次，机械超材料需要精确模拟 ECM 的力学性能，如刚度和泊松比，才能准确地模拟细胞的微环境。这对于材料的选择和结构设计提出了很高的要求。此外，细胞与机械超材料之间的相互作用是一个复杂的过程，受多种因素影响，包括材料的表面特性、力学性能和拓扑结构等，需要进行系统深入的研究。

为了克服这些挑战，教授团队采用双光子聚合技术来制造具有周期性微结构的机械超材料。他们在配备了油浸物镜 (63×, NA = 1.4) 的Nanoscribe Photonic Professional GT直接激光写入设备上，以IP-Dip光刻胶为材料，实现了高精度和高分辨率的 3D 打印，从而可以精确控制微结构的几何形状和尺寸。研究人员巧妙地设计了两种不同的微结构：拉胀结构和 Auxetic 结构。拉胀结构在拉伸时会横向膨胀，而 Auxetic 结构在拉伸时会横向收缩。这两种结构具有不同的泊松比，可以模拟不同类型的 ECM，为研究细胞在不同力学环境下的行为反应提供了理想的平台。

为了探究这些机械超材料对细胞行为的影响，研究人员将人骨髓间充质干细胞 (hMSCs) 培养在这些超材料上，并仔细观察和分析了细胞的排列和迁移行为。实验结果表明，hMSCs 在拉胀结构上表现出明显的排列现象，细胞沿着拉胀结构的方向排列生长，而在 Auxetic 结构上则没有观察到明显的排列现象。这说明细胞能够感知并响应不同机械超材料的力学特性，并调整自身的形态和行为。更进一步的研究发现，拉胀结构可以促进 hMSCs 的迁移，这可能是由于拉胀结构产生的应力梯度引导了细胞的迁移方向。

这项研究成果不仅证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性，也为开发新的体外模型和组织工程支架提供了新的思路。通过精确控制微结构的几何形状和尺寸，可以调节机械超材料的力学性能，从而影响细胞的排列和迁移等行为。未来，研究人员可以设计和制造更复杂的机械超材料，例如模拟体内组织结构的多层级结构，以更真实地模拟 ECM 环境。此外，还可以将生物活性分子或药物结合到机械超材料中，以进一步调控细胞行为，例如促进细胞分化或抑制细胞凋亡等。

当然，这项研究也存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在细胞的排列和迁移行为，未来还需要进一步研究机械超材料对细胞增殖、分化等行为的影响。此外，还需要进行体内研究来验证机械超材料在组织再生和修复方面的应用潜力。

这项研究，为利用机械超材料研究细胞行为开辟了新的途径，并为开发新的生物医学应用提供了重要的启示。相信随着研究的深入，机械超材料将在生物医学领域发挥越来越重要的作用。

来源
MNTech微纳领航 l

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响

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以下文章来源于材料科学与工程 ，作者材料科学与工程

增材制造因其在复杂几何形状设计和成本效益方面的显著优势，逐渐成为研究和应用的热点。然而，与传统制造方法相比，增材制造中多个工艺参数控制的高度瞬态和复杂的制造过程会导致形成的独特微观结构和不可忽视的残余应力，这使得增材制造材料实现稳定、一致和精细可控的机械性能颇具挑战性。在晶粒尺度上，机械性能的不稳定性表现为增材制造微观结构内的变形不均匀性，即应变局部化现象，而这可能引发裂纹和失效，同时影响材料的强度和延展性。因此，研究增材制造材料的应变局部化行为及其背后的机制具有重要意义。

新加坡国立大学机械系闫文韬课题组对激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造的316L不锈钢的应变局部化行为进行了深入研究。研究团队开发了一种能够考虑残余应力影响的基于位错的晶体塑性有限元模型，该模型能够准确再现拉伸实验中通过DIC观察到的应变分布。通过结合实验和仿真数据对观察区域内的大量晶粒进行了统计分析，其中讨论了滑移活动、位错演化、加载方向和晶粒尺度残余应力等各种因素，进而可以阐明增材制造微观结构特征对应变局部化的影响，这将为增材制造材料的微观结构设计提供见解。相关工作成果以Understanding the strain localization in additively manufactured materials: Micro-scale tensile tests and crystal plasticity modeling为题发表在《International Journal of Plasticity》上。

▲论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103981

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

发现

3D Science Valley Discovery

新加坡国立大学的这项研究亮点包括：

1. 模型开发：研究人员开发了一个晶体塑性模型，该模型考虑了晶粒尺寸效应、残余应力和应变梯度等因素，通过EBSD数据计算Kröner–Nye张量来估算残余变形梯度和初始GND密度。
2. 统计分析：对晶粒的统计分析揭示了应变局部化与滑移行为、晶粒间相互作用、位错演化及残余应力之间的复杂关系。
   晶粒特征与应变分布：发现大尺寸晶粒有助于减少应变集中，而高残余应力的小晶粒中应变局部化现象更为显著。
   位错演化：位错密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形状变化显著的区域。
   微结构对应变分布的影响：增材制造材料的柱状晶粒特征导致应变分布对加载方向高度敏感，不同加载方向下应变分布特征不同。

开发的模型不仅可以预测应变局部化现象，还可以用于解耦各个因素对机械行为的影响，并预测增材制造零件的损伤。这项研究不仅增进了对增材制造材料变形机制的理解，而且为材料设计和工艺优化提供了有价值的见解。

Insights that make better life

 主要研究结果

本项工作中，研究者通过L-PBF构造了如图1所示具有显著的柱状晶-等轴晶分布特征但呈现不同分布形式的316L不锈钢样品，并通过在原位拉伸试验中的DIC记录了观察区域在不同受力阶段下的应变分布情况。为了探究应变局部化发生的机理，研究者开发了一个包含应变梯度的基于几何必要位错（GND）密度的晶体塑性模型，该模型中耦合了通过EBSD数据中计算得到的Kröner–Nye张量估算的残余变形梯度和初始GND密度，能够考虑微结构中的晶粒尺寸效应和残余应力影响。通过对比相同受力阶段下的应变分布，如图2所示，此模型能够相对准确地反映AM微结构在受力下的应变的分布特征，说明当下的模型能够很好地反映AM材料中的变形行为和应变局部化现象的形成。

图1. (a) 原位拉伸装置 (b) 样品观察区域的SEM示意图 (c) 样品1及 (d) 样品2的 EBSD结果。

图2通过对比不同受力阶段下DIC和晶体塑性仿真得到的应变分布进行对模型的验证。

图3观察区域内晶粒的各个因素与应变局部化之间关系的统计分析。

通过对大量晶粒的统计分析，如图3所示，研究进一步揭示了增材制造材料中应变局部化与滑移行为、晶粒间相互作用、位错演化及残余应力之间的复杂关系。研究发现，应变局部化不仅需要单个晶粒内部的滑移系被局部的受力状态良好激活，还受到晶粒间相互作用和滑移传递能力的显著影响，相邻的支持滑移传递的晶粒越多，越不易发生应变集中，而增材制造材料的微结构中的大尺寸晶粒在此方面更具优势。应变局部化现象在具有高残余应力的小晶粒中尤为显著，而在较大晶粒中表现相对较弱，这是因为残余应力在后续加载中对小晶粒的机械响应影响更为显著。

应变的增长与位错密度的演化也显著相关，位错密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形状变化显著的区域。另外，通过对比两个样品可以发现，增材制造材料的微结构中柱状晶粒的特征使得应变分布对加载方向高度敏感，导致了不同加载方向下明显不同的应变分布特征。从图4中可以看出，在样品2中受力与柱状晶的长轴方向更为接近，产生的GND增长峰值区域与应变的积累相关。而在样品1中由于沿着受力路径穿过晶粒距离更短，有更多晶界起到阻碍作用，使得位错密度变化明显具有更大的波动，影响了应变局部化的分布特征。增材制造在微结构设计的灵活性也使其具有通过设计柱状晶排布特征来调节力学性能的潜力。

图4. (a) 样品1 和 (b) 样品2 中沿着受力方向的路径上几何必要位错密度的增长情况。

除了对增材制造的材料应变局部化现象的预测之外, 本研究开发的模型也能够用于解耦各个因素对机械行为的影响，并且可用于预测后续增材制造零件的损伤。这些发现不仅加深了对增材制造材料变形机制的理解，也为设计微观结构提供了思路，以有效促进均匀塑性流动并最大限度地减少应变局部化。从材料设计的角度来看，增材制造在设计微观结构来调节机械性能的方面具有巨大的潜力，能够通过优化工艺参数来调控微观结构的晶粒特征并降低残余应力，进而避免AM材料的提前损伤失效和提高材料机械性能。

来源：材料科学与工程

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以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者黄永江

激光定向能量沉积作为金属增材制造技术之一，因其高成形速度和设计灵活性，已被广泛应用于工程应用和实验室研究。由于激光定向能量沉积过程中金属凝固速度较快，制备样品内部普遍存在冶金缺陷和较高的残余应力。为了消除这些缺陷，通常会采用热相关的后处理方法。然而，许多研究指出热相关的后处理对合金微观结构有负面影响，不利于提高性能。因此，研究人员试图放弃成本高、耗时长的后处理，转而操纵沉积参数来改变凝固条件，特别是增材成形技术特有的循环加热而产生的本征热处理（Intrinsic heat treatment）。

受此启发，本研究通过调整成形参数，改变沉积过程中后续层对前一层的加热温度超过合金熔点的次数，即改变本征热处理的强度，对不同强度本征热处理的激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的热历史、微观结构与力学性能进行系统探究。旨在揭示本征热处理对激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金微观结构与力学性能的影响机制，并为后续借助本征热处理制备具有优质冶金质量与力学性能的中熵合金提供指导。

© 白皮书

▲论文链接：
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02628-6

 原文摘要

近年来，激光定向能量沉积过程中循环加热引起的本征热处理吸引了越来越多的关注。本文通过模拟和实验表征，研究了本征热处理对激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的微观结构与力学性能的影响。结果表明，本征热处理的强度与激光能量密度成正比。随着激光能量密度增加，本征热处理强度增大，合金内部发生动态再结晶和晶粒细化。然而，较高的激光能量密度导致合金内部出现严重的热裂纹，降低了合金的延展性。通过降低激光能量密度，热裂纹能够被有效的消除。同时，低激光能量密度减小了本征热处理的强度，抑制了动态再结晶，导致合金内部形成具有多尺寸晶粒的异质晶粒结构。该结构在塑性变形过程中能够提供显著的异质变形诱导强化，使合金具有可持续的加工硬化能力。

 文章亮点

1. 通过改变激光定量能量沉积参数，得到了经历不同本征热处理的CrCoNi中熵合金样品。
2. 结合动态再结晶理论揭示了不同本征热处理状态下CrCoNi中熵合金的组织形成与力学性能变化原因。
3. 采用有限元模拟方法对激光定量能量沉积制备CrCoNi中熵合金过程中的温度场进行了重现。

 内容简介

日前，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的黄永江教授团队在Rare Metals上发表了题为“Microstructures and mechanical properties of laser directed energy deposited CrCoNi medium entropy alloy”的研究文章，通过改变激光定向能量沉积成形参数，对经过不同强度本征热处理的激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的热历史、微观结构与力学性能进行了系统研究。研究发现，激光定向能量沉积过程中本征热处理的强度与激光能量密度正相关。增加激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，进而促进CrCoNi中熵合金发生动态再结晶，产生晶粒细化效果。但是较高的激光能量密度会导致合金内部形成严重的热裂纹。通过降低激光能量密度，热裂纹能够被有效消除，而且较低的激光能量密度能够减小本征热处理强度，抑制动态再结晶，导致合金内部形成具有多尺寸晶粒的异质晶粒结构，在变形过程中提供了显著的非均匀变形诱导强化，实现可持续的加工硬化能力。

 图文解析

图1 不同样品熔池附近的扫描电镜图片和相应的元素分布图。

从扫描电镜图片中可以看到，在熔池边界处，所有样品都具有较好的冶金质量，而且元素分布均匀无偏析。同时发现，当激光能量密度较高时，样品内部观察到少量的微裂纹。随着激光能量密度降低，样品内部的微裂纹逐渐消失。孔洞缺陷在各个成形参数下均可以观察到，表明改变成形参数无法消除孔洞缺陷。

图2 （a-c）晶界取向图；（d-f）几何必须位错分布图；（g-i）再结晶分布图。

EBSD表征结果显示，采用较高激光能量密度成形的样品内部低角度晶界较少，几何必须位错密度较低，再结晶晶粒较多。低激光能量密度成形样品内部的组织特征则与此相反。

图3 Ⅰ号样品的温度场模拟结果。温度检测点位于每层中央。图中黑色点划线是CrCoNi中熵合金熔点。红色箭头表示再加热温度的最大值超过CrCoNi中熵合金熔点。

从模拟结果可以看到，在成形过程中，合金的每一层都会经过熔化和多次再加热。从第6到第9层，再加热温度超过了CrCoNi中熵合金的熔点，如此高的再加热温度对成形组织有直接影响。

图4 （a）Ⅱ号和Ⅲ号样品的循环拉伸曲线；（b）HDI应力和（c）σHDI/σtotal比值的变化情况。

循环拉伸测试结果显示，Ⅲ号样品在拉伸变形过程中表现出更高的HDI应力值，而且HDI应力在总应力中的占比也高于Ⅱ号，表明Ⅲ号中存在的多尺寸异质晶粒结构在变形过程中起到了显著的背应力强化作用。

 全文小结

1. 本征热处理的强度与激光能量密度成正比。增加激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，从而促进激光定向能量沉积制备CrCoNi 中熵合金的动态再结晶和晶粒细化。随着激光能量密度减小，动态再结晶的动力学条件被削弱的本征热处理抑制，导致合金中小尺寸晶粒占比降低。

2. 虽然较高的激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，促使晶粒细化，但是会导致成形合金内出现热裂纹。对于本文中的CrCoNi 中熵合金，热裂纹的形成原因是高激光能量密度引发的热应力超过热开裂的临界应力。

3. 在低激光能量密度时产生的本征热处理有利于产生非均匀晶粒结构，这可以在塑性变形过程中提供显著的非均匀变形诱导强化，并使合金具有可持续的加工硬化能力。

论文引用信息：
Zhao, WJ., Liu, CY., Che, PC. et al. Microstructures and mechanical properties of laser-directed energy deposited CrCoNi medium-entropy alloy. Rare Met. (2024).

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纳米级金属3D打印

© 佐治亚理工学院

 纳米图案化

佐治亚理工学院的金属纳米结构3D打印技术速度比传统方法快480倍，成本低35倍，令人印象深刻。这一过程被称为纳米图案化，对于各种制造技术的创新至关重要，包括电子设备、太阳能转换、传感器等。

科研人员挑战了高强度飞秒激光器对于纳米级打印至关重要的传统观念，探索了替代方案。他们选择了超辐射发光二极管 (SLED)，其发出的光强度比飞秒激光器低十亿倍。研究人员巧妙地设计了一种投影式打印技术，可将数字图像转换为光学图像，展示出更清晰的焦点和更快的生产速度。

研究人员利用注入金属盐的透明墨水溶液，在暴露于超辐射光下时产生化学反应。该反应将盐溶液转化为金属，在表面形成纳米结构。值得注意的是，投影式打印可以一步创建整个层的结构，与逐点方法形成鲜明对比，显著提高了效率。

纳米级金属3D打印研究

© 佐治亚理工学院

SLED超辐射发光二极管的成本约为3,000美元，研究人员的目标是使纳米级3D打印大众化，潜在的应用涵盖电子、光学和等离激元学，可以为研究人员和小型企业等提供低成本解决方案。

 纳米图案化

在制造业中，大多数创新都是围绕生产大型 3D 打印零件的能力而发展的。然而，随着电子、生物技术、汽车和航空航天领域对小型化设备的需求不断增长，人们对微增材制造技术的兴趣与日俱增。那么，小零件的市场有多大呢？

微增材制造一词通常与3D微细加工或高精度增材制造互换使用，但实际上，它们并不是确切的同义词。通常，增材制造更多指的是工业制造环境，3D微细加工是描述所有方法的通用术语，例如在 MEMS 制造中非常普遍和广泛使用的光刻方法（这是一个巨大的成熟市场，并且方法非常成熟）。还有许多其他 3D 微加工方法，例如用于微流体的方法、基于电子束光刻的数字方法等等。

根据 ，在3D打印技术的发展中有两个不同方向的聚焦点，其中一个聚焦点是大幅面3D打印技术。另一个聚焦点是微观方面的，即能够制造精密、微细器件的3D打印技术。微纳3D打印能制造复杂、精细的器件，这是3D打印技术优势的体现，或将颠覆精密器件制造业。

微小的力量正在改变世界！市场上已有各种类型的 micro-AM 工艺，包括：熔丝沉积 (FFD)、直接墨水书写 (DIW)、直接能量沉积 (DED)、层压物体制造 (LOM)、电流体动力氧化还原打印 (EHDP)、粉末床熔融 (PBF)、基于光聚合的 3D 打印 (P3DP) 和激光化学气相沉积 (LCVD)。

微3D打印
© 白皮书

与通过传统制造工艺制造的相同零件相比，制造一个小零件的速度是令人着迷的。随着小型化微型产品的进步，微3D打印适用于所有处理小型和精密零件的行业。传统上制造小零件的成本一直很高，而微增材制造现在正在提供更便宜且易于使用的解决方案… …

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 电化学生物传感芯片（检测肌氨酸）

来自哈工大、华大基因、华东理工大学、斯威本科技大学等团队共研的《集成微柱阵列电极和声微流技术的新型微流控生物传感平台的研究》，阐述了一种创新型微流体电化学生物传感平台的构建。该平台通过在微柱阵列电极（μAE）上涂覆3D双金属 Pt-Pd 纳米树，实现了电化学传感灵敏度的提升。同时，该装置采用了基于气泡的声微流技术，增加了分析物分子与电极表面的接触，进一步优化了电化学性能。

图1：PμSL 3D打印微柱阵列模具+PDMS二次翻模制备微柱阵列电极、PμSL 3D打印截断圆锥阵列模具+PDMS翻模制备截断圆锥空腔阵列

微柱阵列电极的制造过程主要依赖于面投影微立体光刻（PμSL）技术结合PDMS翻模技术，该团队利用摩方精密nanoArch®P140将光敏树脂打印在载玻片上，这样就形成了微柱阵列的阳模，然后以PDMS 翻模的阴模作为模板，采用二次翻模制造出 PDMS 微柱阵列，选用镀金微柱阵列作为电极层的工作电极，其中微柱阵列最小特征尺寸可达50μm。

图2：微柱阵列

面投影微立体光刻（PμSL）技术结合PDMS翻模技术可制备微流控电化学生物传感芯片，所制得的传感芯片线性范围宽， 灵敏度高，可广泛用于蛋白质分析及病毒检测中。

图3：过氧化氢检测和肌氨酸检测

原文：Biosensors and Bioelectronics. 223, 114703 (2023)

 仿生自供电传感器（易便携）

来自湖南大学、阿卜杜拉国王科技大学的团队协作研发了一种便携式3D打印仿生传感装置，其光电响应能力得到了显著增强，可实现双酚 A (BPA) 的灵敏检测。该装置利用高反应性的双电极系统，在光辐射的作用下产生电输出，提供传感信号，解决了依赖外部电源的问题。

图4：蕨类植物N/Ov/BiVO4光阳极的原位合成步骤

图5：N/Ov/BiVO4光阳极表面修饰的bpa特异性适配体示意图

这种独特的蕨类仿生结构提升了传感系统的传质效率，并为传感器提供了丰富的适体结合位点，实现了信号的放大。该团队将检测系统集成到了基于微纳3D打印技术的微模型中，利用摩方精密microArch® S240 3D打印出微流道模型（宽约2.5mm），其内含多个孔道 ，可与电极集成生成小型易便携的传感器。

图6：拟设计的三维传感装置的模型图

面投影微立体光刻（PμSL）技术可高精度定制微流道模型 ，有助于制备自供电传感器 ，实现对双酚A（致癌致畸） 的特异性检测。

图7：传感器性能表征—双酚A检测
原文：Biosens Bioelectron. 220, 114817(2023)

在会议的展会现场，摩方精密还展出了系列自主研发的多领域应用样件，吸引众多来自生物医疗、学术科研、创新领域等业界专家学者前来参观，其中包括深圳市微米纳米技术学会会长、北京大学教授金玉丰，香港大学教授陆洋和武汉大学工业科学研究院执行院长刘胜等。

© 摩方精密

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集成电路的晶体管尺寸逐渐逼近光子和电子的极限，摩尔定律的延续即将走到尽头。发展纳米尺度器件制造的新技术迫在眉睫。如今，随着3D打印技术的发展，其特征尺寸逐渐逼近纳米级，使这种不受光源限制的增材制造技术成为潜在的破局者。然而，打印速度慢、制造环境复杂、材料种类受限以及结构自由度低等关键因素限制了这项技术的应用发展。

传统的微纳尺度3D打印技术，依赖于实物喷嘴，其加工精度均由喷嘴决定，既无法实现更低至几纳米级的加工精度，也无法保证大规模的加工；以电子束和离子束的加工为例，虽然它们能够实现纳米尺度的精度，但无法实现大面积阵列的快速打印。

在上海科技大学“小而精、高水平”的科研氛围中，冯继成教授课题组发展了兼具高精度、高通量和多材料的纳米尺度3D打印技术——“法拉第3D打印”，寻求纳米尺度3D打印的全新突破。他们的最新进展以“Metal 3D nanoprinting with coupled fields”为题发表在国际期刊Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3#citeas

 气溶胶与法拉第

区别于其他3D打印技术，法拉第3D打印所使用的结构构建单元来自于大气压环境下的气溶胶—一种悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。通俗来说，所谓气溶胶，就类似于我们日常生活中常见的“PM2.5”和“雾霾”，微米乃至纳米级别的小颗粒与承载它们的大气共同组成的系统，其中微粒与气体“如胶似漆，难分难舍”因此得名为“胶”，即通称为“气溶胶”。这种独特的气溶胶构建单元决定了法拉第3D打印在常温常压下即可进行，并且不需要任何液相添加剂，不引入任何污染和杂质。

如何令这些形似“雾霾”的气溶胶按照设定的指示组装成精细而精确的三维纳米结构呢？

问题的答案要从“法拉第”说起。19世纪，法拉第用笔描绘出电场线，为我们揭示了“场”的形状。在这项技术中，冯继成课题组反用电场线作为画笔，将构建单元沿着电场线的形状组装成三维纳米结构，恰如使用电场线描绘三维物体。前后两者颇有几分异曲同工之妙，故将该技术命名为“法拉第3D打印”。具体来说，实施这项技术时，气溶胶中带有电荷的微粒将沿着预先设计好的电场线——称之为“电力线画笔”，像搭房子一样一砖一瓦地构筑精确的三维纳米结构（图1）。另外，由于电力线画笔非实物，如果面积足够大，可以同时构建亿万个同样的画笔，在不改变精度前提下打印出亿万个纳米结构！实验结果已经证明了在20分钟内便可快速打印出多达64 000 000个纳米结构，形成复杂的纳米三维结构阵列。

图1：光/电的曙光：气溶胶“砖块”沿着电力线画笔描绘成三维纳米结构。

 双层流与电力线

保证这些结构的稳定性和精确度十分具有挑战性。冯继成课题组采用电场和流场的协同作用，实现了构建三维纳米结构的“砖块”的均匀性和稳定性。具体来说，通过流场/电场耦合，过滤掉不带电荷和尺寸较大的“砖块”，而筛选出带有电荷且尺寸均匀“砖块”作为搭建三维结构的构建单元。在这个过程中，裹挟着金属纳米颗粒的气流将进入一个双层的流场区域（图2a）的上半部分，其下半部分为干净的、无纳米颗粒的惰性气体区域，上下两部分流场同时向箭头方向流动。与此同时，该区域存在一个垂直于流场的方向且指向下的聚焦于打印区域的电场。于是，在两个力场（流场和电场）的作用下，较轻的纳米颗粒（小于5nm）能够克服流场带来的惯性，从而沿着电场线方向运动，构建成三维纳米结构；而在同等强度的电场力作用下，较重的纳米颗粒无法克服惯性，便继续沿着流场方向运动。由此，即可实现特定尺寸纳米颗粒的筛选，并在该过程中原位打印成复杂的纳米结构阵列。使用更小的颗粒，还容易逼近打印的极限尺度，该工作中已实现了线宽为14 nm的金属打印（图2k，l）。这里的流场会对带电纳米颗粒产生正面的拖曳力，使得其能沿着弯曲的电场线迁移，避免了在带电颗粒在真空中偏移弯曲电场线的问题。

图2：双层流与电力线的协作。电场线的空间构型决定了三维纳米结构的几何形状，通过纳米颗粒筛选可实现高精度、高通量和多材料的3D打印。

 大道至简-化腐朽为神奇的伟力

图3：结构和材料多样的周期性阵列， 比例尺：5微米。

科学的突破离不开对身边日常事物的观察、而真理往往就蕴藏在我们身边。随处可见、触手可及的气溶胶也能构建出形状各异、秩序井然的三维纳米结构阵列（图4），实现了三维纳米制造“小而精”的突破，自然科学所展现的这种化腐朽为神奇的伟力，正是其魅力所在。其实，这项技术还远未达到极限。未来冯继成教授课题组将继续深化气溶胶“砖块”和“电力线画笔”的改进和探索，希望在未来能实现转移转化，以期将该打印机集成到半导体装配线中，从而加速晶圆级纳米特征尺寸的微凸块和互联的一次性打印，为极紫外（EUV）光刻提供现实的替代方案。

来源：上科大科技发展

论文引用信息：

Liu, B., Liu, S., Devaraj, V. et al. Metal 3D nanoprinting with coupled fields. Nat Commun 14, 4920 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3

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