科學家提出「一鍋法微流體制造」系統，製備多種複雜陶瓷微粒，能作為微機電系統的精密零件

「榫卯（sǔn mǎo）結構」是一種中國傳統木工技藝，使用這種結構的著名建築有故宮和天壇祈年殿等。「七巧板」則是一種中國傳統智力玩具，它原本是桑治代文人的一種室內遊戲，後來演變為拚圖板玩具。

以上兩者的發展歷史均在千年以上。而在前不久，清華大學博士畢業生、新加坡南洋理工大學博士後研究員周晨晨，卻以這兩種古老的中國傳統技藝為靈感，研發了一種生產複雜陶瓷微粒的新方法。

所製備的微粒展現出較好的強度和韌性，能用於包含金屬、塑料和木材在內的基材的表面加工，進而能夠作為微機電系統和微型機器人中的精密零件，以及作為微加工和微手術中的精密工具等。

據周晨晨介紹，以「榫卯結構」為靈感，他為「一鍋法微流製造」系統引入了一種精確的槽舌裝配策略，從而能夠用於製造各種非矩形微通道。

在此前的微流製造之中，人們使用模具生產出來的微通道截面通常是一致的，這限制了微粒生產的多樣性。而在「七巧板」的啟發之下，周晨晨則突破了這一限制，開創出一種滑動裝配技術，利用單一模具即可製造多種微通道。

這不僅擴大了微通道和微顆粒的應用範圍，還提升了製造過程的高效性和環保性。

此前，通過微流方法製造的銳緣各向異性微粒主要用於防偽、細胞操控和生物檢測等 [1]。

然而，當將微粒用於微刀具和微零件之中，會受到脆性大、材料密度低等限制。

而周晨晨通過增加固含量，以及採用優化設計之後的燒結曲線，增強了微粒的密度和強度。

總的來說，周晨晨等人提出了一種結合熱固化的「一鍋法微流製造」系統。

相比此前已有方法，採用本次方法所製備的微工具，具有同等水平的尺寸、粗糙度、銳緣度和形狀複雜性，並能將生產速率提高兩個數量級以上。

製備銳緣陶瓷微粒之「緣木求魚」

據周晨晨介紹，從電子產品到手術器械、再到微型機器人，微觀、精密且具有一定複雜結構的粒子材料的製造變得愈發重要。另外，不同材料的選擇，也會讓微粒功能變得有所不同。

陶瓷材料具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、高硬度以及低導熱等出色性能。當將陶瓷微粒用於微刀具、微器械、微型結構件之中，其能帶來顯著的優越性。

此前，人們主要使用傳統的微注塑成型技術，來製造陶瓷微粒。這種技術採用間歇性的加工方式，不利於生產效率的進一步提高。

另外，使用這種方法製備不同結構的微粒需要具備昂貴的高精度模具。

在製造高精度、高吞吐量、高單分散性的微粒時，比如製造銳緣三維各向異性透明微粒，或者製造球狀/碗狀不透明微粒時，人們有時也採用微流體光固化的方法。

但是，對於製備非透明的銳緣陶瓷微粒來說，採用這種方法則是緣木求魚。

另外，現階段製造非矩形截面的聚二甲基矽氧烷微通道仍具有一定挑戰性，一方面是由於高精度微型模具製造困難，另一方面是因為非矩形截面微通道脫模困難。基於此，周晨晨開展了本次研究。

碗狀、新月狀、中空球狀……

與此同時，本次研究立足於周晨晨此前的已有成果。

之前，他和同事提出一種正交投影法，即透過掩膜形成特定形狀的紫外光線，然後利用摺疊法製備特定截面的微通道。

再將以上兩者相互結合，在通道中注入一種光固化透明前驅體溶液，借此造出多面體聚合物或氧化矽微顆粒 [2]。

但是，要想製備高強度、高硬度等性能更為優異的陶瓷微顆粒，這種方法並不奏效。

原因有二：

首先，高強度的陶瓷材料諸如氧化鋁、氮化矽、氧化鋯、碳化矽等粉體分散液製備的前驅體，基本是不透明的。

其次，高強度的陶瓷結構體往往依賴於密實的陶瓷晶粒緊緊粘結在一起，前驅體的固含量需要在保證流動性的條件下達到最高，而這會讓光線更加無法透過。

為瞭解決這個問題，他們嘗試將不透明的陶瓷漿料、光固化單體和引發劑加入微通道，並使用紫外光進行固化。

結果發現：在前驅體中分散的微納米粉體顆粒的散射、反射、折射的削弱作用下，一定強度的紫外光只能淺淺穿透通道中液體的表層，無法進一步深入固化製備得到具有定義形狀的銳緣微顆粒，取而代之的是具有圓滑形狀的薄片微顆粒。

在這一發現的基礎上，他們探究了紫外光固化非透明陶瓷前驅體的特性和規律，並利用這一規律製備得到碗狀、新月狀、中空球狀等圓滑形狀的陶瓷微顆粒 [3]。

然而，對於利用微流體高通量製備非透明銳緣陶瓷微顆粒，他們依然一籌莫展。

於是，他們想除了紫外光，還有哪些光能夠達到一定能量促使陶瓷前驅體固化成型呢？

紅外光、激光？這些或許可行，但是深入探究實施起來需要購置或尋找昂貴的設備並搭建光路系統，金錢成本和時間成本算下來讓人望而卻步。

除了光，還有哪些固化方式呢？熱固化方式如何？

現階段採用熱固化陶瓷坯體成型的體系主要是傳統的凝膠注模，但是該方法大多是用來製備具有宏觀尺寸且精度要求沒那麼高的陶瓷構件。

而這個固化體系是否適用於微流體制備精度較高的微顆粒是依然是未知的。

於是，他們改用了熱固化體系，嘗試模仿傳統的凝膠注模方法並將其用於微流道中。

不同的是，微流道中需要連續成型。此外，他們很快開現微流道非常容易被陶瓷前驅體堵住。

剛配好的溶液僅能在開始的幾分鐘內通過微流道。時間稍微一長，隨著前驅體的自然固化，其粘度逐漸增大以至於會堵住微流道。

於是，他們在陶瓷前驅體溶液部分加上冰袋，減慢其自然固化的速度，可結果還是無法維持較長的時間。

一旦混合的前驅體經過通道中加熱的區域，其中前驅體會在引發劑的作用下快速交聯固化。另外，漿料的性質隨著時間的推移也一直在發生著變化，製備過程不穩定。

後來，他們想，引發劑是促進丙烯酰胺體系交聯的關鍵因素，如果把它和單體、交聯劑隔開，另行開一個入口將其注入通道與單體、交聯劑在通道中在線混合固化會如何？

結果發現引發劑和單體、交聯劑在通道中短暫的接觸，即使採用較高的引發劑含量也無法固化成型。

於是周晨晨進一步提高了溫度，這時通道中水汽蒸發加劇，並會產生較多氣泡，以至於也無法固化得到好的微纖維生坯。

後來，周晨晨在引發劑溶液相中進一步添加了催化劑 TEMED（N,N,N’,N’-Tetramethylethylenediamine），結果發現效果顯著，無需很高的溫度，陶瓷前驅體就能經過加熱段快速固化成型，並且被連續擠出。

不過，通過兩相之間以擴散為主、熱擾動為輔的相互混合，擠出的微纖維結構成分依然不是很均勻。

於是，他和同事在通道內加了一個微珠攪拌構件，接著進一步實驗優化設計了器件、前驅體溶液、加熱溫度等，最終得以製備完好的陶瓷微纖維生坯，並進一步切割燒結得到微型陶瓷顆粒。

最終，相關論文以《一鍋法微流製備陶瓷微顆粒》（One-pot microfluidic fabrication of micro ceramic particles）為題發在 Nature Communications[4]。周晨晨是第一作者，新加坡南洋理工大學 Nam-Joon Cho 教授擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

不過，本次研究只是陶瓷微零件高通量高精度製備的一個起點，後續還需要一系列的研究，以便進一步提高微型陶瓷顆粒的強度，從而將其用於精密零件或工具等場景中。

參考資料：

1.Zhou, C., Cao, Y., Liu, C. & Guo, W. Microparticles by microfluidic lithography. Mater. Today 67, 178-202 (2023). https://doi-org/10.1016/j.mattod.2023.05.009

2.Zhou, C., Liang, S., Li, Y., Chen, H. & Li, J. Fabrication of sharp-edged 3D microparticles via folded PDMS microfluidic channels. Lab Chip 22, 148-155 (2021). https://doi-org/10.1039/D1LC00807B

3.Zhou, C. et al. Double UV lights intersection shaping for bowl-shaped ceramic microparticles based on microfluidics. Ceram. Int. 48, 27590-27596 (2022). https://doi-org/10.1016/j.ceramint.2022.06.053

4.Zhou, C., Liang, S., Qi, B., Liu, C. & Cho, N.-J. One-pot microfluidic fabrication of micro ceramic particles. Nat. Commun. 15, 8862 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53016-8

運營/排版：何晨龍