3D 打印出來的線條最細只有 113 納米，比最小的病毒還要小？這是近期一篇 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，比如打印比頭髮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。
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，名字聽着複雜，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釐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複雜結構。”
比如，可以應用在芯片製造裏，加工大面積的神經探針，做集成光子學的器件，實現複雜的量子計算，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誌，每個標誌有 3 釐米長，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，而且因爲要反覆拼接，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，可以浸在樹脂裏工作，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 平方釐米，適合高速量產。
激光經過空間光調製器整形之後，投射到超透鏡陣列上，每個透鏡都會產生一個聚焦光斑。空間光調製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。經過校準之後，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。這種複製能力對於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 5,000 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，因爲密度需要精確控制，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，太赫茲波段介於微波和紅外之間，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，鍍金之後嵌入柔性材料之中。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。然後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，因爲要打印這麼大尺寸的樣品，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。最特別的是鍊甲晶格，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 1,914 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、更先進的空間光調製器、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：“對於這樣一個多尺度的複雜加工系統，很難再依靠人力實現大範圍誤差的矯正。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範圍和精細結構，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 納米加工裏面來。”
參考資料：
相關論文
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x
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