晶格微结构中毛细力级联效应实现高分辨率体素化多材料3D打印

本研究揭示了三维晶格微结构中液体去润湿时产生的毛细力级联现象，通过设计简单立方(sc)、体心立方(bcc)和面心立方(fcc)晶格单元，发现不同几何构型具有特征性内爆压力Pmin，据此开发出无需调节墨水流变性的高分辨率(20μm)体素化多材料构建方法，为能源存储、催化分布和组织工程等领域提供了创新制造方案。

　　

在材料科学和制造领域，三维多材料结构的精准构建一直是重大挑战。传统体素化打印需要精确调控多种墨水的流变特性，并设计复杂的微流控打印头，其分辨率常受限于毫米级喷嘴尺寸。而自然界中，从能量湍流到生化反应，级联现象普遍存在——这种分步有序的过程蕴含着精准控制的可能。南方科技大学的研究团队从晶体学中获得灵感，在《Cell Reports Physical Science》发表的研究中，揭示了微架构晶格中独特的毛细力级联现象，为高精度多材料制造开辟了新路径。

研究采用立体光刻技术打印具有简单立方(sc)、体心立方(bcc)和面心立方(fcc)构型的微架构，通过氧等离子体处理实现亲水表面改性。结合相场模拟和粒子图像测速(PIV)技术，定量分析了不同晶格单元的内爆压力P_min和最小坍塌体积V_min。利用两步光聚合技术实现了20μm尺度的多材料构建，并通过激光共聚焦显微镜和扫描电镜表征界面特性。

【毛细力级联现象】
通过设计边长2mm、直径400μm的微柱阵列，研究发现无论晶胞排列方式如何，多边形液滴均按sc→bcc→fcc顺序内爆。PIV测量显示，在准静态蒸发过程中(<10μm/s)，自然对流产生的压力梯度可忽略不计，证实级联顺序由界面相互作用主导。数值模拟揭示了压力-体积关系的非线性特征，其中fcc构型对微柱长径比(φ=3.3-10.0)最为敏感。

【内爆动力学机制】
相场模拟显示，当接触角θ<55°时液膜在中心破裂，否则在角落穿孔。内爆压力排序P_min^sc>P_min^bcc>P_{min^fcc与实验观察完全一致。在连接的多胞结构中，压力均匀降低直至达到某晶胞的P}

【体素化多材料构建】
选择fcc构型作为框架，通过"灌注-耗尽-交联"循环，仅用三步即完成9×9×3的三材料(PEGDA/光敏树脂/PAM)矩阵构建。仿电鳗电源测试显示，离子选择性水凝胶间的无缝界面实现了开路电压(V_oc)和短路电流(I_sc)的稳定输出。

【微尺度分辨率突破】
采用双光子聚合制作20μm边长的晶格支架，通过毛细力级联成功组装HTL/TRU光敏树脂的体素化结构，较传统方法分辨率提升100倍。激光共聚焦证实界面清晰无混合，实现了真正的三维材料编程。

该研究不仅揭示了封闭几何中竞争性粘附/内聚作用产生的新型毛细现象，更建立了晶格工程与制造精度间的定量关系。通过将体素化打印整合到立体光刻系统，避免了流变学调控的复杂性，为功能性异质材料（如梯度催化剂、仿生电源）的构建提供了普适方案。这种基于物理现象的自组织策略，在机械超材料防腐、电池电极设计等领域展现出广阔应用前景。Hongtu Tan等学者的工作，为从湍流能量级联到生物组织建模等跨尺度研究提供了新的范式工具。