微观材料制造的演变决定了许多行业发展趋势。从电子产品到微型机器人以及手术器械制造，精密微粒（MPs）的制备和使用变得越来越重要。不同材料的选择决定了其功能。陶瓷因其出色的性能，例如高硬度，耐磨、耐高温，耐腐蚀，以及低导热性等而备受关注。现阶段，多种技术已被研究用来制造微粒。例如，微丝电火花加工（μWEDM）和微磨削可以无接触地制造微粒，但其应用仅限于导电材料；离子或激光束可以精度较高地加工出广泛材料的微粒，但成本也非常高；机械切削加工可以用于生产带柄的微粒，但很难实现高精度；投影微立体光刻在制作超精细微零件方面表现出色，但主要适用于紫外线固化树脂，且生产效率很低；微注塑（μIM）成型能够以较快的速度制备多种材料的微粒，但由于其本质上的批处理生产方式，阻碍了其连续制造，从而限制了吞吐量。微流体光固化已被用于制造具有高单分散性、精度和吞吐量的多种微粒，包括锐缘三维各向异性透明微粒和球形/碗形不透明微粒。然而，分散纳米粒子（NPs）的反射、散射和折射，致使几乎不可能通过微流体光固化制备得到锐缘微粒，更不用说通过增加NP含量来提高微粒的强度。本研究创新性地提出了一种结合热固化模块的“一锅法微流体制造”（OPMF）系统，在保持与现有方法获得的微工具相同的粗糙度、锐利度、尺寸和形状复杂性的同时，将微工具的生产速率提高了两个数量级以上。
图1. 通过“一锅法微流体制造”（OPMF）系统制造齿轮形微粒（MP）。a，OPMF系统和合成机制的示意图。由纳米颗粒（NP）、丙烯酰胺（AM）和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM）组成的水性分散液（BS）与由N、N、N'、N'-四甲基乙二胺（TEMED）和过硫酸铵（APS）组成的固化液（CS）一起注入微流体装置中。在线混合和原位聚合后，得到由聚丙烯酰胺（PAM）和NP组成的复合物。b，“槽舌”装配用于齿轮形微流体通道（MC）制造，灵感来自中国古代的“榫卯”结构。c，紫外-可见光谱以及BS和CS的照片。d，随剪切速率变化的三种BS的粘度特性。e，合成过程中模拟MC内部前驱体的模量变化。f，获得的齿轮形MP的光学图像。g，获得的齿轮形MP的外径（Do）、根径（Dr）和横截面积（ag）的分布曲线和统计分析。另外，现阶段制造非矩形截面的高精度PDMS微通道（MC）仍然具有挑战性，一方面是由于高精度模具的制造难度，另外一方面是非矩形截面的脱模难度。借鉴了中国传统木工技艺中的“榫卯结构”，OPMF系统引入了一种精确的“槽舌”装配（GTA）策略，用于制造各种非矩形的MC，实现了制备微粒的一个创造性飞跃。此外，微流体制造中使用模具生产的MC截面通常是一致的，这限制了生产的多样性。受另一中国古老智慧“七巧板”的启发，我们的研究突破了这一限制，开创了一种“滑动装配”（SA）技术。该创新允许使用单一模具制造多种MC，不仅扩大了MC和MP设计的潜力范围，还提升了制造过程的高效性和环保性。图2. “槽舌”和滑动组装微流体通道（MC）制造策略用于制备具有各种形状和材料的微粒（MP）生坯。a，“槽舌”组装的示意图，包括正三角形、六边形、等腰三角形和梯形。b，含有纳米颗粒（NPs，包括SiO2、Al2O3和Si3N4）和聚丙烯酰胺（PAM）的MP生坯光学显微照片。c，通过调整滑动距离s1实现三角形MC横截面（边长l）变换的示意图。d，i、正三角形和ii-iv星形MP生坯的扫描电子显微镜（SEM）图像。e，通过调整滑动距离s1和s2实现方形MC截面（边长l）变换的示意图。f，形状类似于i、正方形、ii、“Z”形、iii、“工” 和iv、v、四角星形的MP生坯的SEM图像。迄今为止，通过微流体制造的锐缘各向异性微粒主要应用于细胞操控、生物检测、防伪等。然而，由于材料密度低、脆性大和材料透明性的限制，这些微粒作为微刀具和微零件的使用受到了阻碍。本研究通过增加固含量并采用优化设计的烧结曲线，增强了微粒的密度和强度。此外，我们深入研究了诸如Al2O3和Si3N4等不透明材料微颗粒的制备。图3. 烧结前、中、后微粒（MP）的表征。a，热重分析。b，热重分析曲线导数分析。c，烧结过程中样品的差示扫描量热法表征。样品包括合成的聚丙烯酰胺（PAM）和由PAM及三种不同纳米颗粒制得的复合物。d，星形Al2O3 MP的扫描电子显微镜（SEM）图像。e，单个星形Al2O3 MP的SEM图像，与右上角的模型形状一致。f，Al2O3 MP表面晶粒的高放大倍率SEM图像和能量色散X射线（EDX）光谱。g，Al2O3 MPs的晶格条纹及其转换的h，衍射点的透射电子显微镜（TEM）图像。i，等腰三角形SiO2 MP的SEM图像。j，SiO2 MP表面的高放大倍率SEM图像和EDX光谱。k，星形Si3N4 MP的SEM图像。l，Si3N4 MP表面的高倍率SEM图像和EDX光谱。原子力显微镜（AFM）图像显示m、Al2O3、n、SiO2和o、Si3N4 MPs的表面形貌。p，三种烧结得到的MP表面粗糙度。q、Al2O3、r、SiO2和s、Si3N4 MP的X射线衍射（XRD）图.制得微粒展现出的强度和韧性，能够应用于加工包括金属、塑料和木材在内的各种基材。本研究展示了通过OPMF系统制得的微粒作为微机电系统（MEMS）、微型机器人中的精密零件，以及作为微加工、微手术中精密工具的潜力，标志着微观材料制造的一大进步。图4. 烧结微粒（MP）的压缩试验，横截面包括方形、等腰三角形和星形。a，各种形状和姿态的烧结微粒MP的压缩试验示意图，P0方形MP，P1三角形站立MP，P2用于三角形躺卧MP，P3用于星形站立MP和P4用于星形躺卧MP。b，P0条件SiO2、Al2O3和Si3N4材料的力-位移曲线。c，失效前压缩过程中P0 MPs的最大力（Fmax）和d，能量吸收（Ea）。e、f、g，P1、P2、P3和P4条件SiO2、Al2O3和Si3N4材料的力-位移曲线。图5.使用SiO2、Al2O3和Si3N4材料的等腰三角形和星形陶瓷微粒（MP）的划痕测试。a，使用各种MP和多种基材（包括T2铜（Cu）、7075铝合金（Al）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）和木材）进行划痕测试的示意图。b，不同MP的尖头在失效前承受的最大力（CFmax）。c，各种基材的硬度表征。由Al2O3MP划痕得到基底的d，光学图像e，三维形貌图和f，二维云图。 g，使用不同MP和基材的不同划痕的宽度（w）、深度（h）和体积损耗统计。图6.本工作制得的微颗粒（MPs）与其他工作报道的微刀具的比较。a，微刀具的关键参数示意图，包括轮廓直径（Dc）、圆角半径（R）、粗糙度（Ra）和长度（L）。微刀具的Ashby对比图b，边数（N）与Dc，c，2R/Dc与Dc，d，Ra与加工速率。该研究进展以“One-pot microfluidic fabrication of micro ceramic particles”为题发表在期刊Nature Communications上。南洋理工大学材料工程学院 赵南俊（Cho Nam-joon） 教授为论文通讯作者，博士后 周晨晨 为论文的第一作者。Zhou C, Liang S, Qi B, Liu C, Cho N-J. One-pot microfluidic fabrication of micro ceramic particles. Nat Commun 15, 8862 (2024).