Un nuevo enfoque optofluídico para la microfabricación y nanofabricación tridimensional permite ensamblar una amplia gama de materiales en microdispositivos complejos y funcionales.
El equipo demuestra la técnica construyendo válvulas microfluídicas basadas en partículas capaces de separar rápidamente micropartículas y nanopartículas por tamaño, así como microrobots multimateriales que responden a estímulos magnéticos, ópticos y químicos.
Publicado recientemente en Nature , este enfoque podría eludir las antiguas limitaciones materiales en la impresión 3D de alta resolución.
Las técnicas de micro y nanofabricación tridimensionales sustentan los avances en microrobótica, microactuadores y dispositivos fotónicos.
Entre ellos, la polimerización de dos fotones (2PP) se ha convertido en un método líder, valorado por su resolución inferior a 100 nanómetros y su capacidad para imprimir estructuras intrincadas de forma libre. Sin embargo, la 2PP se limita en gran medida a la reticulación de polímeros, lo que limita la gama de materiales funcionales que pueden fabricarse directamente.
Los investigadores han intentado extender el 2PP a materiales no poliméricos mediante la ingeniería de fotorresistencias especializadas. Por ejemplo, modificando químicamente nanopartículas inorgánicas o incorporando complejos de coordinación de metales.
Estos enfoques, si bien son eficaces en casos específicos, siguen siendo muy específicos y carecen de una amplia compatibilidad material.
Una estrategia alternativa es el ensamblaje directo de materiales. Los métodos de ensamblaje óptico utilizan fuerzas o campos inducidos por la luz para manipular partículas suspendidas en solución, pero la mayoría de las técnicas existentes se limitan a estructuras bidimensionales y suelen operar con bajo rendimiento.
Uso del flujo impulsado por la luz para ensamblar estructuras 3D
El nuevo método combina el 2PP con un ensamblaje optofluídico. Primero, se fabrica una plantilla polimérica tridimensional hueca con una pequeña abertura, como un cubo, sobre un sustrato de vidrio utilizando 2PP.
Luego, la plantilla se sumerge en un líquido que contiene nanopartículas o partículas a escala micrométrica dispersas uniformemente.
Un láser de femtosegundos, enfocado cerca de la abertura de la plantilla, calienta localmente el fluido. Esto genera un gradiente de temperatura pronunciado que impulsa un fuerte flujo convectivo, alcanzando velocidades de varios milímetros por segundo.
Transportadas por este flujo, las partículas son canalizadas hacia la plantilla hueca, donde se acumulan y se ensamblan en una estructura tridimensional definida por la geometría de la plantilla.
Los investigadores lograron una velocidad de ensamblaje de aproximadamente 10⁻¹ nanopartículas de sílice por minuto. Tras el ensamblaje, la plantilla polimérica circundante se retira mediante un tratamiento suave con plasma de oxígeno, dejando una microestructura tridimensional independiente basada en partículas.
La física detrás del ensamblaje
El proceso de ensamblaje se rige por un equilibrio entre las fuerzas interpartículas y la resistencia impulsada por el fluido. Las interacciones atractivas entre partículas, descritas por la teoría DLVO, deben ser lo suficientemente intensas como para superar las fuerzas hidrodinámicas que tienden a dispersarlas.
Los investigadores demuestran que este equilibrio puede ajustarse modificando las condiciones de la solución. Aumentar la fuerza iónica, por ejemplo, utilizando concentraciones de cloruro de sodio de 0,5 M o superiores, reduce la repulsión electrostática entre partículas y promueve la agrupación.
El ensamblaje también requiere que la velocidad del flujo optofluídico permanezca por debajo de un umbral crítico, donde las fuerzas de atracción pueden dominar sobre el arrastre de Stokes.
El calentamiento por láser desempeña una doble función. Además de la convección impulsada por la flotabilidad, la evaporación localizada del disolvente puede generar burbujas transitorias. Estas burbujas introducen flujos de Marangoni impulsados por gradientes de tensión superficial, lo que acelera aún más el transporte de partículas hacia la plantilla.
Como resultado, se lograron velocidades de ensamblaje volumétrico de alrededor de 700 µm3 por segundo, mucho más rápido que las velocidades de impresión 2PP típicas .
Amplia compatibilidad de materiales
Dado que el mecanismo de accionamiento se basa en el flujo de fluido inducido por la luz, en lugar de fuerzas ópticas específicas del material, la técnica es en gran medida no selectiva. Los investigadores ensamblaron microestructuras tridimensionales a partir de una amplia gama de materiales, incluyendo metales, óxidos metálicos, nanopartículas de diamante, nanocables y puntos cuánticos .
A pesar de la ausencia de enlaces químicos o sinterización a alta temperatura, las estructuras resultantes se mantienen mecánicamente estables. Esta estabilidad se debe a las fuertes interacciones de van der Waals entre nanopartículas densamente empaquetadas, lo que permite que las estructuras se autosostengan inmediatamente después de retirar la plantilla.
Se crearon arquitecturas multimaterial mediante pasos de ensamblaje secuenciales, en los que se introdujeron diferentes suspensiones de partículas una tras otra, con pasos de lavado entre ellas. Esto permitió un control espacial preciso de la composición del material dentro de una única estructura.
Válvulas microfluídicas y microrobots
Para demostrar su funcionalidad práctica, el equipo fabricó chips microfluídicos que contienen microválvulas ensambladas con partículas e incrustadas en canales de polímero. Estas válvulas porosas permiten el paso rápido del disolvente, a la vez que bloquean las nanopartículas que superan el tamaño establecido por la estructura porosa interna de la válvula.
Al ajustar las dimensiones y los materiales de las válvulas, los investigadores lograron una separación selectiva por tamaño y un enriquecimiento de las nanopartículas.
Este enfoque también se empleó para construir microrrobots compuestos de múltiples materiales funcionales. Mediante la integración selectiva de nanopartículas magnéticas, catalíticas y fotoactivas, los investigadores crearon microrrobots capaces de girar bajo campos magnéticos, moverse bajo luz ultravioleta o cambiar de movimiento en entornos químicos, a veces dentro del mismo dispositivo.
Un futuro de nanoimpresión 3D
La estrategia optofluídica podría ser una ruta para fabricar micro y nanoestructuras 3D verdaderamente volumétricas a partir de materiales que son difíciles o imposibles de imprimir directamente utilizando técnicas convencionales.
Si bien la implementación actual se basa en un ensamblaje en serie dirigido por láser en lugar de una fabricación paralela de alto rendimiento, proporciona una plataforma poderosa para integrar diversos materiales con un control espacial preciso.
Los investigadores sugieren que el método puede respaldar futuros avances en robótica coloidal, microfotónica, catálisis y sistemas microfluídicos: áreas donde la diversidad de materiales y la arquitectura tridimensional son esenciales.
Referencia de revista
Lyu X., et al. (2026). Microfabricación y nanofabricación tridimensional optofluídica. Nature . DOI: 10.1038/s41586-025-10033-
Fuente:
Escrito por Dra. Noopur Jain
La Dra. Noopur Jain es una destacada escritora científica radicada en Nueva Delhi, India. Con un doctorado en Ciencia de los Materiales, aporta un profundo conocimiento y experiencia en microscopía electrónica, catálisis y materiales blandos. Su trayectoria en publicaciones científicas avala su dedicación y experiencia en este campo. Además, cuenta con experiencia práctica en formulaciones químicas, desarrollo de técnicas de microscopía y análisis estadístico.