从房屋到助听器，三维(3D)打印正在彻底改变我们大规模创建复杂结构的方式。缩小到微米和纳米水平，一种称为双光子聚合光刻(TPL)的工艺使科学家和工程师能够以微观精度构建物体，这对从医药到制造等行业具有广泛的影响。
例如，在计算和通信领域，TPL可用于开发新的光学材料，例如可以以新方式操纵光的光子晶体。然而，尽管前景广阔，但充分发挥其潜力仍然存在一些挑战。其中最主要的挑战是在可见光波长以下实现均匀的收缩和特征尺寸，这对于先进的光操纵来说至关重要。
为了应对这一挑战，新加坡科技设计大学(SUTD)工程产品开发支柱JoelYang教授领导的研究团队与日本和歌山县工业技术中心的同行合作，推出了一种新方法，确保3D打印结构在热处理时收缩均匀。这进一步完善了TPL在生产高精度、纳米级特征方面的使用。
他们的研究论文“3D打印微米和纳米结构材料均匀收缩的拾取和放置过程”发表在《自然通讯》上。
在他们的研究中，研究人员在打印基材上使用了一层聚乙烯醇(PVA)，以方便3D打印部件被清洗并转移到单独的基材上，从而实现3D打印部件的受控和均匀减少。当整个3D打印在加热过程中均匀收缩时，新基材上的松散附着允许结构的底部滑动。
这种简单而有效的方法避免了由于结构附着到打印表面而引起的不均匀收缩问题。它还开辟了将微型3D打印零件转移到与其他设备集成或转移到不适合TPL的基材上的可能性。
Yang从大自然中汲取了这项技术的灵感，他表示：“就像蚯蚓通过拉伸和收缩在表面上移动一样，我们相信我们可以使3D结构‘滑行’到更小的尺寸而不变形。”
论文第一作者、和歌山县工业技术中心客座研究员TomohiroMori表示：“和歌山县吉祥物的复杂几何形状——各种曲线、凹凸不平——使其成为展示我们技术有效性的理想对象。如此详细的模型的成功均匀收缩表明我们的方法可以适用于任何形式，无论其形状或其放置的平台的坚固性如何。”
该团队的方法能够创建超出其打印设备最初所能生产的精细结构，突破了以前与3D打印物体相关的分辨率和材料刚性障碍。
通过利用这种新的收缩工艺，研究人员还可以细化3D打印结构的特征，使其能够发挥新的作用，例如由于能够显示结构颜色而成为视觉指示器。更重要的是，这些颜色不是由染料造成的，而是由材料的内部结构产生的，当尺寸减小时，内部结构会与光相互作用，从而改变其外观。
这为材料带来了新的功能。杨解释说：“例如，将某些对不同类型的光敏感的称为发色团的分子纳入结构中，可以让我们设计出根据特定照明条件改变颜色的材料。”“这在防伪方面具有实际应用，可以通过不同的结构颜色和这些材料的发射特性来验证物品的真伪。”
研究团队开发的技术在电子等行业具有广阔的前景，可用于制造冷却高性能设备(例如最先进的GPU和CPU)所需的复杂散热器。
打印组件的一致收缩还为需要高保真度材料结构的领域开辟了应用，例如具有复杂几何形状的机械零件、具有精确光操纵能力的光学元件以及可以更精确地控制声音的声学设备。
展望未来，研究人员计划将其技术的应用扩展到当前研究中使用的聚合树脂材料之外。通过将他们的方法应用于具有更高折射率的材料，他们的目标是创造更有效的光子晶体，这可以改进激光器、成像系统和光学传感器的技术。
此外，研究团队还致力于微调印刷结构中的间距控制，以生成可以精确控制光操纵方式的全彩3D模型。这包括在大面积或大量转移和准确定位这些结构的努力，保持这些先进应用所需的高精度。
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