随着微纳光学、微电子领域的飞速发展，微纳制造技术的创新对推动科技进步和产业发展变得尤为关键。国际上对器件小型化、智能化、高集成度、高密度和信息传输速度的超快化等趋势给予了高度关注。然而，要解决“材料本征特性+微纳三维加工技术”等核心科学问题，创建程控化的绿色微纳制造系统被认为是未来发展的战略方向。微纳金属3D打印能够直接构建复杂的三维金属结构，为新一代微纳器件提供了创新可能性。但传统方法在材料、精度、尺度和速度等关键参数面临挑战。因此，对新型微纳金属3D打印方法的研究势在必行。
上海科技大学冯继成课题组自主研发的“法拉第3D打印”技术
平坦大地外部的等势线是均匀分布（图2），然而当人站在地面上时，周围的等势线会发生扭曲变形（图2）。基于这一原理，作者运用共形映射得到了用于打印的三极板电场构造（图3）。首先，将垂直等势极板两端弯曲成“单边中括号”形状，接着将垂直部分弯折成“加和运算符”形状，然后剪断两端并叠加成一块中间极板。将上极板移到无限远处后，平移中间极板形成单孔结构。这一过程通过复函数分析可精确描述单孔的等势线和电场线分布（见图3b）。为满足实际打印条件，作者使用COMSOL模拟空间电场构型，并通过电力线守恒对“电力线画笔”实时原位调控，最终实现了对打印结构尺寸的精准控制。
高斯定理告诉我们：闭合曲面的电通量仅与内部的电荷量相关，在“法拉第3D打印”中，这一定理体现为电力线数目守恒。图5动态展示了精确调节电力线形状的方法：调整三极板的电势，即可实现“笔头状”聚束电力线的尺寸控制。在常温常压下，因受气体拖曳力带电纳米粒子会严格沿电力线轨迹迁移。
为了可视化电力线的存在，作者采用了一种快速打印模式，在基底上形成了斑点。通过斑点的尺寸来反映电力线画笔的粗细（见图6）。图7展示了在结构生长过程中，由于尖端的场强增强效应，电力线画笔笔头动态变化的打印过程。所有实验结果与计算模拟一致，这证明了通过电势调控实现精确控制结构尺寸的可行性。
在上述理论指导下，成功通过电势调控实现了纳米柱尺寸线性变化的控制。随后进行的力学和电学性能测试结果显示，该纳米结构的力学性能处于文献报道中的前20%，其导电性更是同类材料的3倍以上。通过使用聚焦离子束（FIB）进行切割并观察内部形貌，发现结构内部均匀致密，这是其性能优异的重要原因。这一结果主要得益于打印所使用的超小纳米粒子（直径小于5nm）具有极高的表面能，其类液滴特性使其在接触结构后直接发生融合。
此外，研究人员还演示了通过移动基底的方法实现结构密度倍增和扩展打印面积的实验结果。这为大面积打印提供了可行的解决方案，为该技术在工业制造领域的应用前景增添了可能性。
总之，'法拉第3D打印'是利用电场控制带电纳米粒子进行定点组装打印的新技术，其在常温常压下运行，无需使用有机试剂和昂贵气体，打印过程完全在纯气相环境中，确保了材料的高纯。此外，这项技术高效节能，单次打印仅需1瓦的能耗。使用悬浮的带电孔洞板（蒸笼）进行移动式打印，具有更高的灵活性和实用性。本文从技术原理出发，提供了一套可精确控制打印结构尺寸的方法，为其未来的产品化和商业化奠定了基础。
展望未来，上海科技大学冯继成课题组将持续改进和优化'法拉第3D打印'系统，提升技术的集成化和自动化水平，致力于研发商业化的法拉第3D打印机。此外，课题组正在积极探索半导体材料的3D打印、动态电场调控、原子团簇的3D打印以及在绝缘基底上打印等关键能力。期望将这一技术能为集成电路所需的微纳制造技术的突破和发展注入新动力。
