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借助使“隐形斗篷”成为可能的光扭曲技术，科学家们开发出一种既能实现微观细节又能实现高通量的新型3D打印技术。研究人员建议，他们的新技术有望实现复杂纳米级结构的大规模生产。潜在应用包括药物递送和核聚变研究。

目前，3D打印复杂微观特征最精确的方法是双光子光刻。该技术使用液态树脂，只有当树脂中的感光分子同时吸收两个光子而非一个光子时才会凝固。 双光子光刻技术使得体素——相当于像素的三维结构——体积仅几十纳米的器件成为可能。

然而，双光子光刻技术在大规模实际应用中被证明过于缓慢。这在很大程度上使其成为实验室工具，用于制作显微模型。

迄今为止，双光子光刻技术依赖传统透镜，但传统透镜存在限制，导致技术进展缓慢。现在，在一项新研究中，夏和他的同事们实验了“金属元素”，它们能以意想不到的方式弯曲光线。

Metalens 革新了 3D 打印

科学家们实验了由元结构构成的光学器件——这些材料的结构中包含的重复图案，尺度小于设计与其相互作用的波长。光学元结构，包括金属结构，可以以多种方式控光线，形成了如隐形斗篷等装置，能够将物体周围的光线弯曲。

在这项新研究中，研究人员创造了金属体，当强烈的激光照射到它们身上时，它们各自可以作为微型3D打印机使用。这些平面金属灯可以聚焦光线，而不会出现传统光学曲线带来的像差。由此产生的镜头不仅能产生高分辨率，还能避免可能降低通透率的问题。

科学家们制造了阵列，拥有多达129,500个金属元素。每个金属柱宽度在100到200微米之间，由硅柱组成的森林，每根硅柱长195纳米，直径104纳米。

基于Metalens的新型光刻系统首先将飞秒近红外激光脉冲照射到空间光调制器上。调制器将激光塑造成光线图案，照射到金属阵列上，在树脂下方生成超过12万个焦点以使其固化。阵列中的每个金属人都可以独立工作，进行3D打印特征。举例来说，研究人员制作了微型棋盘，每个棋盘大约有100微米宽，由不同的金属人打印。

来自加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究员 Xiaoxing Xia 表示，这项技术的潜在应用包括制造用于激光实验的复杂特种靶材，例如激光核聚变研究中用于储存燃料的靶丸。此外，该技术还可用于制备数百万计的纳米颗粒，这类颗粒可用于辅助药物靶向递送，且难以通过其他技术实现规模化制造。

传统双光子光刻技术的一大缺陷在于，其单次可打印的区域尺寸仅为几百微米见方。若要制造更大尺寸的结构，研究人员往往需要将数千个打印单元拼接起来，这一过程不仅耗时，还容易产生误差。而这套新型系统单次可打印的区域面积可达 12 平方厘米，大幅降低了对单元拼接工艺的依赖。

实验数据显示，该新型系统能够打印出最小尺寸达 113 纳米的精细结构，这一分辨率与现有同类双光子光刻系统相当。与此同时，其打印速度高达每秒 1.2 亿个体素，约为其他双光子光刻系统的 1000 倍。

Xia 表示：“本论文中展示的成果，仅是我们在实验室有限资源条件下取得的突破。若采用商用成熟器件进行升级，该技术的吞吐量有望在现有基础上再提升 100 倍，且实现路径相对清晰。”

关键词： 3D 打印 超构透镜 超材料 双光子光刻