借助使“隱形斗篷”成為可能的光扭曲技術，科學家們開發出一種既能實現微觀細節又能實現高通量的新型3D打印技術。研究人員建議，他們的新技術有望實現復雜納米級結構的大規模生產。潛在應用包括藥物遞送和核聚變研究。

目前，3D打印復雜微觀特征最精確的方法是雙光子光刻。該技術使用液態樹脂，只有當樹脂中的感光分子同時吸收兩個光子而非一個光子時才會凝固。 雙光子光刻技術使得體素——相當于像素的三維結構——體積僅幾十納米的器件成為可能。

然而，雙光子光刻技術在大規模實際應用中被證明過于緩慢。這在很大程度上使其成為實驗室工具，用于制作顯微模型。

迄今為止，雙光子光刻技術依賴傳統透鏡，但傳統透鏡存在限制，導致技術進展緩慢。現在，在一項新研究中，夏和他的同事們實驗了“金屬元素”，它們能以意想不到的方式彎曲光線。

Metalens 革新了 3D 打印

科學家們實驗了由元結構構成的光學器件——這些材料的結構中包含的重復圖案，尺度小于設計與其相互作用的波長。光學元結構，包括金屬結構，可以以多種方式控光線，形成了如隱形斗篷等裝置，能夠將物體周圍的光線彎曲。

在這項新研究中，研究人員創造了金屬體，當強烈的激光照射到它們身上時，它們各自可以作為微型3D打印機使用。這些平面金屬燈可以聚焦光線，而不會出現傳統光學曲線帶來的像差。由此產生的鏡頭不僅能產生高分辨率，還能避免可能降低通透率的問題。

科學家們制造了陣列，擁有多達129,500個金屬元素。每個金屬柱寬度在100到200微米之間，由硅柱組成的森林，每根硅柱長195納米，直徑104納米。

基于Metalens的新型光刻系統首先將飛秒近紅外激光脈沖照射到空間光調制器上。調制器將激光塑造成光線圖案，照射到金屬陣列上，在樹脂下方生成超過12萬個焦點以使其固化。陣列中的每個金屬人都可以獨立工作，進行3D打印特征。舉例來說，研究人員制作了微型棋盤，每個棋盤大約有100微米寬，由不同的金屬人打印。

來自加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究員 Xiaoxing Xia 表示，這項技術的潛在應用包括制造用于激光實驗的復雜特種靶材，例如激光核聚變研究中用于儲存燃料的靶丸。此外，該技術還可用于制備數百萬計的納米顆粒，這類顆粒可用于輔助藥物靶向遞送，且難以通過其他技術實現規模化制造。

傳統雙光子光刻技術的一大缺陷在于，其單次可打印的區域尺寸僅為幾百微米見方。若要制造更大尺寸的結構，研究人員往往需要將數千個打印單元拼接起來，這一過程不僅耗時，還容易產生誤差。而這套新型系統單次可打印的區域面積可達 12 平方厘米，大幅降低了對單元拼接工藝的依賴。

實驗數據顯示，該新型系統能夠打印出最小尺寸達 113 納米的精細結構，這一分辨率與現有同類雙光子光刻系統相當。與此同時，其打印速度高達每秒 1.2 億個體素，約為其他雙光子光刻系統的 1000 倍。

Xia 表示：“本論文中展示的成果，僅是我們在實驗室有限資源條件下取得的突破。若采用商用成熟器件進行升級，該技術的吞吐量有望在現有基礎上再提升 100 倍，且實現路徑相對清晰。”