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橫跨多尺度的3D納米打印技術面世，成品最細只有113納米

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橫跨多尺度的3D納米打印技術面世，成品最細只有113納米

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橫跨多尺度的3D納米打印技術面世，成品最細只有113納米

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橫跨多尺度的3D納米打印技術面世，成品最細只有113納米

3D 打印出來的線條最細只有 113 納米 ， 比最小的病毒還要?。 空饈墻諞黃?Nature 論文所展示的 3D 打印精度 。

許多人都見過 3D 打印 ， 一個噴頭慢慢移動 ， 一點一點堆出形狀 ， 打印一個簡單的小玩意需要等待幾小時 。 如果想打印精細到納米級別的東西 ， 比如打印比頭發絲還細上千倍的結構速度就更慢了 ， 可能以整體只能做出一小塊 。

【橫跨多尺度的3D納米打印技術面世，成品最細只有113納米】上述論文由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 Xiaoxing Xia 團隊和斯坦福大學的 Jonathan Fan 課題組合作完成 ， 他們讓這個速度從慢吞吞變得可以直接起飛 ， 他們將超透鏡排成陣列 ， 一次性生成 12 萬多個聚焦光斑同時進行打印 。 這套系統叫做超透鏡陣列雙光子光刻 ， 名字聽著復雜 ， 但其原理可以這樣理解 ， 以前是一個雕刻刀慢慢刻 ， 現在是 12 萬把雕刻刀一起開工 。


圖 | 論文第一作者（來源：谷松韻）

打印速度達到每秒 1.2 億個體素 ， 體素就是 3D 中的像素點 ， 是 3D 打印的最小單位 ， 這個速度比傳統雙光子光刻快了幾個數量級 。


（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

谷松韻告訴 DeepTech：“我們真正首次實現了幾個厘米尺度的三維納米加工 ， 理論上可以用來打印各種各樣的納米系統和功能性的復雜結構 。 ”

比如 ， 可以應用在芯片制造里 ， 加工大面積的神經探針 ， 做集成光子學的器件 ， 實現復雜的量子計算 ， 甚至用在高能激光物理領域 。

通過使用這套系統他們只花了不到兩個小時 ， 就打印出來了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和斯坦福大學的標志 ， 每個標志有 3 厘米長 ， 線條細節在納米級別 。 如果使用傳統方法 ， 同樣的任務需要一個月以上 ， 而且因為要反復拼接 ， 很容易出現錯位和瑕疵 。

這套系統的核心是超透鏡陣列 ， 超透鏡是一種平面鏡頭 ， 表面刻滿了比波長還小的納米結構 ， 可以精確控制光的相位 。 和傳統鏡頭相比 ， 超透鏡的優勢很明顯：可以做得很大 ， 可以排成陣列 ， 可以浸在樹脂里工作 ， 而且能夠承受高功率激光 。


（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

研究團隊使用了兩組超透鏡陣列 。 一組是 50 乘 50 的陣列 ， 每個透鏡 200 微米大小 ， 數值孔徑 1.0 ， 適合高精度打印 。 另一組是 370 乘 350 的陣列 ， 每個透鏡 100 微米大小 ， 數值孔徑 0.8 ， 總共有 12 萬多個透鏡 ， 覆蓋面積 12 平方厘米 ， 適合高速量產 。

激光經過空間光調制器整形之后 ， 投射到超透鏡陣列上 ， 每個透鏡都會產生一個聚焦光斑 。 空間光調制器就像一個動態的模板 ， 可以控制每個光斑的高度 ， 甚至可以單獨開關 。 經過校準之后 ， 這 12 萬多個光斑的強度可以做到高度一致 ， 打印出來的線條寬度偏差只有 16.5 納米 。

通過使用這套系統他們展示了一系列應用 。

首先是打印了成千上萬個微型 3D 小船 ， 每個只有幾十微米大小 ， 結構非常精細 ， 有懸空、有穿孔、有銳角 ， 而且個個都一樣 。 這種復制能力對于批量生產微納器件很重要 。 使用那個 12 萬透鏡的大陣列 ， 一天可以打印出 5000 萬個這樣的微顆粒 。


（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

其次是打印了梯度密度的泡沫材料 。 這種材料在激光驅動質子加速、梯度超材料、光子晶體等領域有廣泛應用 。 傳統方法很難做出這種結構 ， 因為密度需要精確控制 ， 而且變化是漸進的 。

此外 ， 他們打印出了可以使用的功能器件 。

一個是太赫茲超材料 ， 太赫茲波段介于微波和紅外之間 ， 有很多潛在應用 ， 比如安檢、通信和生物傳感 ， 但是天然材料很難調控太赫茲波 。 他們打印了許多螺旋結構 ， 每個螺旋直徑 120 微米 ， 鍍金之后嵌入柔性材料之中 。 這個器件可以選擇性地通過左旋或者右旋的圓偏振太赫茲磁波 ， 還可以把字母 S 編碼進去 ， 用太赫茲成像系統讀出來 。

同時 ， 他們還打印了力學超材料 ， 即打印了三種不同結構的晶格 ， 做成 10 毫米長、5 毫米寬的試件 ， 每種包含 24 萬個晶胞 。 然后在中間刻了一個缺口 ， 通過拉拽測試查看裂紋會如何擴展 。 要知道 ， 使用傳統方法做這種實驗根本不可能 ， 因為要打印這么大尺寸的樣品 ， 時間太長 ， 而且拼接缺陷會影響結果 。

結果很有意思 ， 八隅體晶格最硬 ， 但是拉到 320 微米就會發生脆斷 。 開爾文晶格稍微軟一點 ， 可以拉到 362 微米 ， 裂紋擴展稍慢一些 。 最特別的是鏈甲晶格 ， 其由上下堆疊的截角四面體籠子組成 ， 相鄰單元像鎖子甲一樣互相扣住但卻沒有剛性連接 。

這種結構拉到 1914 微米才斷裂 ， 韌性遠超另外兩種 。 當裂紋擴展的時候 ， 應力不是集中在尖端 ， 而是分散到一大片區域 ， 單元之間不斷調整位置 ， 讓裂紋兩邊交替前進 。


（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x）

這個案例說明 ， 有了高速、高精度的 3D 打印 ， 人們可以探索以前做不了的實驗 ， 從而發現新的材料現象 。 這套方法還可以加以進一步擴展 ， 使用更大的超透鏡陣列、更先進的空間光調制器、更高功率的激光器 ， 速度可以推到每秒 100 億體素以上 。 當然 ， 數據量也會爆炸式增長 ， 到時也需要更好的算法來壓縮和處理 。

對此 ， 谷松韻表示：“對于這樣一個多尺度的復雜加工系統 ， 很難再依靠人力實現大范圍誤差的矯正 。 舉個例子 ， 我們的打印尺寸是分辨率的幾十萬倍 ， 從而沒有監控系統能同時看清整個加工范圍和精細結構 ， 那我們要如何推斷系統是否正常運行？因此 ， 我們也正在探索如何把 AI 引入到 3D 納米加工里面來 。 ”

參考資料：
相關論文https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x

運營/排版：何晨龍

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