研究背景

當前先進制造、新材料與微納加工是全球科技競爭的戰略制高點。以美國為代表的國家已發布國家先進制造業戰略，強調通過發展創新制造技術，保障其在經濟、國家安及供應鏈韌性方面的領先地位。微納加工技術作為支撐航空航天、新一代信息技術、生物醫藥等關鍵領域發展的核心共性技術，其戰略重要性不言而喻。然而在尖端技術需求與現實技術瓶頸之間，尤其是在微納尺度下實現材料力學性能的精準、大范圍調控，仍存在巨大挑戰。

現有微納加工技術（如雙光子聚合3D打印）雖然能實現亞微米級別的超高打印精度，但在材料的力學性能（如剛度、強度、韌性等）調控方面卻面臨瓶頸。傳統光刻膠材料一旦固化成型，其力學性能便難以調整，這極大地限制了其在柔性電子、軟體機器人、生物組織工程等前沿領域的應用。這些領域不僅需要結構上的“精雕細琢”，更對材料的力學“可塑性”提出了苛刻要求。因此突破微納結構力學性能“后調控”的技術難題，開發兼具高精度成型與大范圍性能調控能力的制造新范式，已成為滿足國家重大戰略需求、推動顛覆性技術創新的迫切需要。

針對上述問題，由甬江實驗室與同濟大學組成的聯合團隊利用澤攸科技原位SEM進行了系統研究，他們通過創新性地調控雙光子3D打印路徑的稀疏度與螺旋度，實現了單一彈性體材料超過2.3倍的剛度調控和力學性能定制。

標題：Tuning the stiffness of two-photon polymerized elastomer by controlling the sparsity and helicity of printing paths

期刊：Journal of Manufacturing Processes

網址：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.09.032

材料創新：專為性能調控設計的彈性體光刻膠

面對傳統雙光子打印材料力學性能難以調節的瓶頸，研究團隊首先從材料源頭出發，創新性地設計并制備了一種基于聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的彈性體光刻膠。該材料巧妙地結合了聚氨酯的柔性鏈段與丙烯酸酯的快速固化特性，使其在無需后固化處理的條件下，依然具備優異的自支撐性能，能夠穩定打印出復雜的微納三維結構。這一材料體系的建立，為后續通過工藝參數實現大范圍力學性能調控奠定了堅實的基礎。

圖1 （a）彈性體光刻膠G-A271的組成；（b）雙光子聚合（TPP）3D打印參數設計及其典型反應機理示意圖；（c）TPP-3D打印過程示意圖，比例尺：10 μm；（d）用于原位壓縮測試的微柱陣列及其特征曲線示意圖

圖2 二維與三維微結構的掃描電子顯微鏡圖像。（a）G-A271在不同打印速度和激光功率下打印的線陣列，紅色虛線框標示放大區域。（b）三種旋轉角度（單向UA、正交OA和梯度GA）的三維模型及其對應的打印路徑示意圖。（c）線間距為0.4 μm（LS0.4）樣品在不同旋轉角度下的頂部與側壁形貌SEM圖像，橙色箭頭指示周期性螺旋形貌，比例尺：5 μm。（d）G-A271打印的四種三維結構，插圖顯示其俯視圖，比例尺：10 μm。（b）和（d）中樣品臺傾斜30°，成像時未進行傾角校正

工藝革新：以打印路徑重構微觀結構

研究的核心創新在于突破了依賴材料配方改性的傳統思路，開創性地提出通過控制雙光子3D打印中的激光掃描路徑來主動調節最終結構的力學性能。團隊定義了兩個關鍵的打印參數：“線間距”（Line Spacing）用于控制打印路徑的稀疏度，“旋轉角度”（Rotation Angle）用于控制層間路徑的螺旋度。通過對這兩個參數進行系統性組合，研究人員能夠在微觀尺度上精密構建出具有不同內部交聯密度和網絡拓撲結構的微柱，從而在不改變材料化學成分的前提下，實現了對結構宏觀力學性能的“編程化”定制。

圖3 原位壓縮測試結果：（a）單向打印（UA）條件下三種不同線間距微柱的單次工程應力-應變曲線；（b）不同打印參數樣品的彈性模量；（c）屈服應力隨線間距和旋轉角度的變化；（d）UA-LS0.2樣品的循環工程應力-應變曲線；（e）九種樣品在循環壓縮過程中歸一化能量吸收的演化；（f）樣品在單次及多次循環壓縮后的殘余應變

圖4 G-A271力學性能調控機制分析：（a）不同線間距下樣品表面的DMT模量與粘附力變化；藍色圓圈標示高DMT模量區域，綠色圓圈標示低DMT模量區域。（b）線間距為0.4 μm（LS0.4）樣品在不同旋轉角度下的最小重復單元的三維/二維截面形貌、鄰近效應區域及載荷傳遞路徑示意圖；紅色圓圈標示鄰近效應區域的位置

精準驗證：原位力學測試揭示寬范圍調控能力

為了精準量化這些微米級結構在不同打印參數下的力學響應，研究團隊利用了澤攸科技原位納米力學測量系統，將該設備集成于掃描電子顯微鏡中，對打印出的微柱陣列進行了系統的原位壓縮測試。借助這臺設備，研究人員能夠實時觀察微柱在壓縮過程中的形變、屈曲甚至失效過程，并同步獲取高精度的力學數據（如應力-應變曲線）。測試結果有力地證明，通過調控打印路徑，結構的彈性模量可在284 MPa至665 MPa之間實現高達2.34倍的連續可調，屈服強度和能量吸收等關鍵力學指標也相應地呈現出規律性變化，從而直觀驗證了該技術策略的有效性與寬廣的調控范圍。

圖5 三種可恢復結構的力學行為。（a）多孔金字塔、（b）爪形和（c）燈籠形三種可恢復結構模型；（d–g）多孔金字塔結構的工程應力-應變曲線及其原位SEM壓縮過程圖像；（h–k）爪形結構的力-位移曲線及其原位SEM壓縮過程圖像；（l–o）燈籠形結構的力-位移曲線及其原位SEM壓縮過程圖像。樣品臺傾斜30°，成像時已進行傾角校正；比例尺：20 μm

應用探索：可恢復功能器件的潛力展示

基于上述研究成果，團隊進一步設計并打印了三種具有實際應用前景的復雜可恢復微結構：多孔金字塔、爪形結構和燈籠形結構。這些結構同樣通過原位力學測試驗證了其獨特的功能特性。例如，金字塔結構展現了快速的回彈恢復能力，而爪形和燈籠形結構則通過旋轉變形機制表現出優異的能量吸收特性。這些功能器件的成功制備與驗證，充分展示了該技術在微型傳感器、微尺度能量吸收/緩沖器件、柔性電子以及微型機器人等前沿領域的巨大應用潛力。

澤攸科技PicoFemto原位SEM測量系統通過集成原位拉伸、納米壓痕、低溫環境、液體/氣體反應等十余種測試模塊，將傳統掃描電鏡從單一成像設備轉變為多模態復合實驗平臺。該系統支持研究人員直接在SEM內開展多場景原位實驗，可實時捕捉材料在力-熱-電-化學耦合場作用下的動態相變、微觀形變等過程。這種原位動態表征能力不僅使掃描電鏡轉型為綜合性納米分析平臺，更實現了從靜態觀測到過程解析的跨越。下圖為該研究成果中用到的澤攸科技原位SEM產品：

澤攸科技掃描電鏡納米力學樣品臺