3D打印又上Nature！中国青年学者一作

导读：3D纳米制造技术正逐步从实验室走向工业化。尽管双光子光刻（TPL）在制造超高分辨率微纳结构方面具有独特优势，但由于传统光学系统视场有限，难以实现高速、规模化生产。

Songyun Gu展示了一种超透镜阵列

近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室联合斯坦福大学，提出了一种基于超透镜阵列和空间自适应照明的新型TPL系统，成功实现厘米级无拼接3D打印，并将打印吞吐量提升至每秒10⁸体素。该技术有望用于复杂纳米结构的快速批量制造，潜在应用场景包括药物递送系统和激光核聚变靶材的制备。

相关成果以《3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination》为题，于2025年12月17日发表在《Nature》上。其中，中国学者Songyun Gu和Chenkai Mao为共同第一作者。

图1：金属透镜阵列并行双光子光刻系统示意图

这项技术使用大面积金属透镜阵列（金属超透镜）替代传统物镜，结合空间光调制器（SLM），生成可控的高数值孔径（NA）聚焦阵列，支持高分辨率、并行化、非接触式的三维打印。研究人员在12 cm²的区域内同时激活超过12万个激光焦点，打印速度突破108 voxels/s，最小特征精度达113纳米，真正实现了亚百纳米精度的厘米级打印。

与传统TPL依赖单一显微物镜不同，金属透镜系统将“一个镜头”拆分成了“成千上万个微型镜头”。研究团队利用超结构材料构建纳米级光学单元，制造出宽度约100–200微米、可批量复制的硅基超透镜，通过相位控制精确聚焦。

图2：高通量并行打印过程示意图

这些超透镜通过SLM可独立调控，实现动态灰度调制、开关切换和图案组合。同时，在非成像光学的思路下，系统摆脱了传统物镜FOV和聚焦深度的限制，构建出具有高均匀性与稳定性的光场阵列，支持大规模并行制造。

图3：自适应并行光刻策略打印结构展示

研究团队展示了该系统在复杂结构制造中的出色表现，涵盖从规则阵列到高度非周期几何的多种类型：例如，他们成功打印出一组完整的3D国际象棋阵列，每个直径不足100微米的棋子均由不同的超透镜独立生成，结构高度一致；系统还支持随机Voronoi结构和仿生泡沫的快速构建，适用于组织工程和生物支架设计。

在功能性材料方面，链甲结构超材料展现出独特的滑移机制与优异的断裂韧性，具备实际工程应用潜力；此外，该平台还能高效批量制造数千万级别的纳米微粒，为药物输送、传感器开发等应用提供了稳定的制备手段。

图4：厘米级机械超材料打印与力学表现

传统TPL受限于物镜视场，打印大尺寸结构时需要频繁拼接，容易产生误差和错位，影响整体精度。而新系统中，每个超透镜就是一个独立的打印单元，所有光斑通过SLM统一控制，实现光学级别的自动对齐，有效避免了拼接误差。

此外，研究团队还提出了自适应并行打印策略，可根据结构的周期性和复杂度灵活调整打印方式。对于局部周期结构，系统按区域激活光斑，提升边缘打印质量；对于完全非周期结构，则通过划分子区域并复用路径，优化效率。这使得系统即使面对复杂、不规则的三维模型，也能高效、精准地完成打印。

图5：各类3D纳米制造技术对比

研究人员表示，目前的系统仍处于实验验证阶段，未来将持续在多个方向进行优化升级，包括：扩大超透镜阵列的面积至数十平方厘米，提升打印覆盖范围；采用更高刷新率的SLM，提高光斑响应速度与控制精度；引入高重复频率的飞秒激光源，实现更快速的扫描效率；并通过边界设计优化光场分布，实现局部区域的超分辨率调控。

写在最后。

本次超透镜TPL方案的提出，不是单纯提升激光扫描效率，而是从光学架构和控制逻辑两方面，系统性重构了3D纳米打印的范式。它的提出，标志着高分辨率打印技术正从“慢工细活”走向“规模制造”，也为后续实现高集成度微纳结构的工业化奠定了基础。