微模板光刻技术实现任意形状活性粒子的精确表面修饰及其动态调控

针对传统方法难以制备具有精确表面不对称性的活性粒子这一挑战，Kreienbrink团队开发了结合双光子光刻(TPL)与牺牲模板掩模的微模板技术，成功在任意形状颗粒上沉积分辨率达0.2μm的金属补丁。该技术通过电动力学(ICEP)、催化(H2O2分解)和磁性组装三种体系验证，实现了螺旋运动、轴向旋转和自限性微机器人构建等非传统动力学调控，为微机器人学和生物医学应用提供了通用制备平台。

　　

在微观世界中，活性粒子(active particles)如同微小的"分子机器"，能够通过消耗环境能量实现自主运动。这类粒子在靶向给药、微创手术和环境修复等领域展现出巨大潜力。然而，传统制备技术如掠射角沉积(GLAD)存在显著局限——难以精确控制粒子表面不对称性，导致Janus粒子(仅含两半球不对称)成为主流，严重限制了运动模式的多样性。更复杂的三维运动调控、可编程集体行为等高级功能，都因缺乏精确的表面图案化技术而难以实现。

为解决这一关键技术瓶颈，科罗拉多大学研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果。研究人员创新性地将双光子光刻(two-photon lithography, TPL)与物理气相沉积(PVD)相结合，开发出微模板光刻技术。该技术通过牺牲模板精确控制金属沉积区域，在任意形状的微米级颗粒表面创建分辨率达200纳米的复杂图案，为活性粒子的功能设计提供了前所未有的自由度。

研究采用三项关键技术路线：首先优化TPL打印参数，使用IP-L光刻胶制备具有尖锐支撑结构的牺牲模板，确保模板与基底接触面积(<2.0μm²)远小于颗粒附着面积(>9.0μm²)，实现选择性去除；其次通过电子束蒸发沉积金(Au)、铂(Pt)、钴(Co)等金属，利用其弹道传输特性保证图案转移保真度；最后建立定量表征体系，采用背散射电子显微镜(BSE)分析图案分辨率，并通过电动力学、催化和磁性三个模型系统验证功能。

精确补丁粒子的制备

通过系统优化激光功率(20-27.5mW)和打印参数，团队实现了亚微米级特征尺寸控制。最具说服力的是，在20mW功率下制备的三角形模板，最终获得尖端仅190±10nm的金属沉积，突破现有技术极限。研究还发现模板与颗粒间距是影响分辨率的关键因素——较薄的模板能减少金属沉积时的阴影效应，使实际沉积图案更接近设计尺寸。

电动力学活性粒子

在交流电场中，传统Janus粒子仅能线性运动。而通过微模板技术制备的泪滴型和螺旋桨型补丁粒子，则分别展现出大螺距(225μm)和小螺距(105μm)的螺旋轨迹。这种运动差异源于补丁形状导致的多轴不对称性，产生复杂的介电泳(DEP)与诱导电荷电泳(ICEP)耦合效应。

催化活性粒子

楔形切割的圆盘粒子通过补丁位置调控实现截然不同的运动模式：内部径向补丁引发绕轴旋转(角速度2.1rad/s)，而背面补丁则产生准线性运动(净速度提高8.5倍)。这种设计首次在10μm尺度实现粒子绕自身轴心的旋转，为微流体混合提供了新思路。

磁性可重构微机器人

L形磁性补丁粒子在100高斯磁场中自组装为二聚体。特别值得注意的是，反射对称组装的二聚体具有可逆重构特性——磁场移除时因剩余偶极相互作用发生折叠，这种自限性组装解决了传统磁性链无限生长的控制难题。

这项研究的意义不仅在于技术突破，更开辟了活性粒子设计的新范式。通过精确控制表面补丁的几何特征，研究者首次在单个平台上实现了电动力学、催化和磁性三种驱动机制的精确调控。特别是将特征尺寸缩小至200nm的能力，为开发具有环境响应性的智能微系统奠定了基础。该技术有望推动靶向给药、微创手术等生物医学应用的发展，同时为研究非平衡态下集体行为提供理想模型系统。正如研究者强调的，这种方法可扩展至声响应、光响应等多种功能材料，其模块化设计思路也为多刺激响应系统的集成提供了可能。