オプトフルイディクス、多様な材料から3Dマイクロ構造を作成

February, 16, 2026, Istanbul/Singapore--ヨーロッパとシンガポールの研究者たちは、ほぼあらゆる種類の固体材料から3D微細構造を作成できるレーザ駆動技術を考案した(Nature, doi: 10.1038/s41586-025-10033-x)。
このような小規模な物体は、以前は二光子重合でしか製造できず、材料の選択が制限されていたが、この新戦略により、金属、ダイヤモンド、シリカを含む材料から機能的な3D構造を形成できるようになった。

テンプレートからの3D微細構造
この技術はオプトフルイディク相互作用を利用し、レーザによって発生する熱が局所的な流体の流れを誘発する。組み立て工程の前に、二光子重合を用いてプラスチック型材を作成し、望ましい形状の中空構造を作り出す。このテンプレートは片側に小さな開口部があり、選ばれた材料の微小またはナノ粒子を含むコロイド流体に浸される。

構造を組み立てるために、フェムト秒レーザを用いてテンプレートの開口部近くの小さな部分を加熱する。このホットスポットで発生する急激な熱勾配は高速かつ指向性のある流体の流れを生み出し、粒子を穴の方へと押し出し、中空構造へと導く。粒子が時間とともに蓄積されると、テンプレートで定義された3D形状を形成するために利用可能な空間を満たしていく。

組み立て工程が完了すると、ポリマテンプレートを取り除き、目標材料のみで構成された自立型の3D構造物が作られる。組み立てられたナノ粒子は強いファンデルワールス力によって結合されており、完成品は追加の加工を必要としないまま自立し、機械的に安定している。

堅牢な技術
この技術の堅牢性を示すために、チームはシリカ粒子を使って、独立したアーチを持つ曲線的なクロワッサン型構造物を製作した。組み立て速度は約700 µm3 。直径1µmの粒子は毎秒、2光子重合による構造プリントする、約2倍の速さである。

また、チームはユニバーサル手法を用いて、流体チップ内で粒子をサイズごとに選別できるマイクロバルブなど、様々な微小装置を製作した。マイクロロボットは異なる機能材料の粒子から組み立てられ、複数の異なる機構で動きを制御可能にした。例えば、金、チタニア、プラチナ、酸化鉄でできたL字型ロボットは、磁場による引っ張り、紫外線下での反時計回り回転、過酸化水素に入れた場合の時計回りの3つの方法で動かせた。

「ほぼあらゆる素材から微小な3D物体を形成できる能力は、多機能マイクロロボットやマイクロスケール技術、また今日でもSFのように聞こえる多くの応用に新たなフロンティアを開く」と、この研究を主導したイスタンブールのKoç UniversityのMetin Sittiはコメントしている。