Uma nova abordagem optofluídica para micro e nanofabricação tridimensional permite que uma ampla gama de materiais seja montada em microdispositivos funcionais e complexos.
Estudar: Microfabricação e nanofabricação tridimensional optofluídica. Crédito da imagem: IM Imagery/Shutterstock.com
A equipe demonstra a técnica construindo válvulas microfluídicas baseadas em partículas, capazes de separar rapidamente micropartículas e nanopartículas por tamanho, bem como microrobôs multimateriais que respondem a estímulos magnéticos, ópticos e químicos.
Publicado recentemente em Naturezaesta abordagem poderia contornar limites de materiais de longa information na impressão 3D de alta resolução.
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Técnicas tridimensionais de micro e nanofabricação sustentam avanços em microrobótica, microatuadores e dispositivos fotônicos.
Entre eles, a polimerização de dois fótons (2PP) tornou-se um método líder, valorizado por sua resolução inferior a 100 nanômetros e capacidade de imprimir estruturas complexas de forma livre. No entanto, o 2PP está amplamente restrito a polímeros de reticulação, limitando a gama de materiais funcionais que podem ser fabricados diretamente.
Os pesquisadores tentaram estender o 2PP a materiais não poliméricos por meio da engenharia de fotorresistentes especializados. Por exemplo, modificando quimicamente nanopartículas inorgânicas ou incorporando complexos de coordenação metálica.
Estas abordagens, embora eficazes em casos específicos, continuam a ser estreitamente adaptadas e carecem de ampla compatibilidade materials.
Uma estratégia alternativa é a montagem direta do materials. Os métodos de montagem óptica utilizam forças ou campos induzidos pela luz para manipular partículas suspensas em solução, mas a maioria das técnicas existentes estão confinadas a estruturas bidimensionais e normalmente operam com baixo rendimento.
Usando fluxo orientado por luz para montar estruturas 3D
O novo método combina 2PP com montagem optofluídica. Primeiro, um modelo oco de polímero tridimensional com uma pequena abertura, como um cubo, é fabricado em um substrato de vidro usando 2PP.
O modelo é então imerso em um líquido contendo nanopartículas uniformemente dispersas ou partículas em escala micrométrica.
Um laser de femtosegundo, focado próximo à abertura do modelo, aquece localmente o fluido. Isso gera um gradiente acentuado de temperatura que impulsiona um forte fluxo convectivo, atingindo velocidades de vários milímetros por segundo.
Levadas por esse fluxo, as partículas são canalizadas para o modelo oco, onde se acumulam e se agrupam em uma estrutura tridimensional definida pela geometria do modelo.
Os pesquisadores alcançaram uma taxa de montagem de aproximadamente 105 nanopartículas de sílica por minuto. Após a montagem, o modelo de polímero circundante é removido usando tratamento com plasma de oxigênio suave, deixando para trás uma microestrutura 3D independente, baseada em partículas.
Física por trás da Assembleia
O processo de montagem é governado por um equilíbrio entre as forças entre partículas e o arrasto acionado pelo fluido. As interações atrativas entre partículas – descritas pela teoria DLVO – devem ser fortes o suficiente para superar as forças hidrodinâmicas que tendem a dispersá-las.
Os pesquisadores mostram que esse equilíbrio pode ser ajustado ajustando as condições da solução. O aumento da força iônica, por exemplo, usando concentrações de cloreto de sódio de 0,5 M ou superiores, protege a repulsão eletrostática entre as partículas e promove o agrupamento.
A montagem também exige que a velocidade do fluxo optofluídico permaneça abaixo de um limite crítico, onde as forças atrativas podem dominar o arrasto de Stokes.
O aquecimento a laser desempenha um papel duplo. Além da convecção impulsionada pela flutuabilidade, a evaporação localizada do solvente pode gerar bolhas transitórias. Essas bolhas introduzem fluxos de Marangoni impulsionados por gradientes de tensão superficial, acelerando ainda mais o transporte de partículas para o modelo.
Como resultado, velocidades de montagem volumétrica de cerca de 700 µm3 por segundo, muito mais rápido do que as taxas típicas de impressão 2PP.
Ampla compatibilidade de materiais
Como o mecanismo de acionamento depende do fluxo de fluido induzido pela luz, em vez de forças ópticas específicas do materials, a técnica é em grande parte não seletiva. Os pesquisadores montaram microestruturas tridimensionais a partir de uma ampla gama de materiais, incluindo metais, óxidos metálicos, nanopartículas de diamante, nanofiose pontos quânticos.
Apesar da ausência de ligação química ou sinterização em alta temperatura, as estruturas resultantes permanecem mecanicamente estáveis. Esta estabilidade surge de fortes interações de van der Waals entre nanopartículas densamente compactadas, permitindo que as estruturas sejam autossustentáveis imediatamente após a remoção do modelo.
Arquiteturas multimateriais foram criadas usando etapas de montagem sequenciais, nas quais diferentes suspensões de partículas foram introduzidas uma após a outra, com etapas de lavagem entre elas. Isto permitiu um controle espacial preciso sobre a composição do materials dentro de uma única estrutura.
Válvulas Microfluídicas e Microrobôs
Para demonstrar a funcionalidade prática, a equipe fabricou chips microfluídicos contendo microválvulas montadas em partículas incorporadas em canais de polímero. Essas válvulas porosas permitem que o solvente passe rapidamente enquanto bloqueiam nanopartículas acima de um tamanho definido pela estrutura interna dos poros da válvula.
Ao ajustar as dimensões e os materiais das válvulas, os pesquisadores alcançaram a separação seletiva do tamanho e o enriquecimento das nanopartículas.
A abordagem também foi usada para construir microrobôs compostos de múltiplos materiais funcionais. Ao integrar seletivamente nanopartículas magnéticas, catalíticas e fotoativas, os pesquisadores criaram microrobôs capazes de girar sob campos magnéticos, mover-se sob luz ultravioleta ou alterar o movimento em ambientes químicos, às vezes dentro do mesmo dispositivo.
Um futuro de nanoimpressão 3D
A estratégia optofluídica pode ser um caminho para a fabricação de micro e nanoestruturas 3D verdadeiramente volumétricas a partir de materiais que são difíceis ou impossíveis de imprimir diretamente usando técnicas convencionais.
Embora a implementação atual dependa de montagem serial endereçada a laser, em vez de fabricação paralela de alto rendimento, ela fornece uma plataforma poderosa para integração de diversos materiais com controle espacial preciso.
Os pesquisadores sugerem que o método pode apoiar avanços futuros em robótica coloidal, microfotônica, catálise e sistemas microfluídicos: Áreas onde a diversidade de materiais e a arquitetura tridimensional são essenciais.
Referência do diário
Liu X., e outros. (2026). Microfabricação e nanofabricação tridimensional optofluídica. Natureza. DOI: 10.1038/s41586-025-10033-