2025年盛夏，全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程加劇：一方面，清潔能源投資持續(xù)升溫，全球綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速；另一方面，區(qū)域間的發(fā)展鴻溝與結(jié)構(gòu)性矛盾日益凸顯。以中國為代表的新興經(jīng)濟(jì)體正成為清潔能源產(chǎn)業(yè)的中堅(jiān)力量——2024年中國清潔能源投資總額達(dá)到6250億美元，連續(xù)十年全球居首，光伏、風(fēng)電與儲能技術(shù)構(gòu)建起完整的全鏈條生態(tài)，帶動其能源轉(zhuǎn)型指數(shù)躍升至全球第12位。
在這一多維博弈背景下，微納3D打印技術(shù)因具備高結(jié)構(gòu)自由度、跨尺度制造能力優(yōu)勢正逐步成為能源科學(xué)中的突破變量。它不僅為電化學(xué)儲能、綠色催化與微流控傳質(zhì)等關(guān)鍵子領(lǐng)域提供更精細(xì)、更功能化的結(jié)構(gòu)構(gòu)建手段，也正在重塑科研范式與工程實(shí)現(xiàn)路徑。
近期，Nature、Chemical Engineering Journal 和 Advanced Science 等國際頂刊接連發(fā)表研究成果，展示了微納3D打印在能量轉(zhuǎn)化效率提升、反應(yīng)界面調(diào)控以及多物理場響應(yīng)等方面的顯著潛力，預(yù)示其將在未來能源系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色。
Nature Communications：微納3D打印錐型結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)氣泡快速收集
自由上升的氣泡捕獲超越了其起源于自然過程，例如潛水昆蟲的呼吸和水生植物的氣體交換，鞏固了其在廣泛行業(yè)中的重要性，包括海洋甲烷捕獲、減阻、能量收集和水處理。通過將粗糙的紋理與低表面能材料相結(jié)合，在特征結(jié)構(gòu)內(nèi)形成氣層，在親氣表面上實(shí)現(xiàn)顯著的氣泡吸附，將它們與不潤濕但不一定吸收氣泡的疏水表面區(qū)分開來。微/納米級紋理，如凹坑 、凹陷或多孔結(jié)構(gòu)，極大地增強(qiáng)了親氣表面，表現(xiàn)出超好氣性，允許在第一次接觸時快速捕獲上升的氣泡，而不是彈跳或逸出。
來自香港理工大學(xué)、上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，受鼠尾草葉子的啟發(fā)，其微錐利用了毛狀體組件的獨(dú)特規(guī)模，大小為數(shù)百微米。觀察到這些特征有助于在與鼠尾草葉子初次接觸時快速捕獲氣泡。盡管不同物種的精細(xì)頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)存在差異，但它們在氣泡捕獲方面都表現(xiàn)出很高的功效，達(dá)到低于 2.5 毫秒的時間。這種一致的性能促使研究團(tuán)隊(duì)更深入地研究微觀結(jié)構(gòu)夾住氣泡的普遍機(jī)制。通過摩方精密面投影微立體光刻 3D 打印系統(tǒng)：nanoArch P140（精度：10微米）制造了微錐形結(jié)構(gòu)表面，形成高約 600μm，底部半徑約 346μm，間距 1 毫米的仿槐葉萍葉片表面的錐形毛狀體。這些關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)作用，將為親氣材料提供替代視角，實(shí)現(xiàn)從微流體到海底甲烷收集和減阻的廣泛應(yīng)用。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59049-x
Chemical Engineering Journal：以竹筍為靈感的超高錐形多孔蒸發(fā)器
太陽能驅(qū)動的海水蒸發(fā)對于淡水生產(chǎn)來說是可持續(xù)的，但受到水源、廢物耐受性和耐久性的限制。來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，提出一種以竹筍為靈感的多壁碳納米管基復(fù)合材料錐形多孔蒸發(fā)法，該工藝在高鹽度和污染條件下表現(xiàn)出超高水輸送、高蒸發(fā)效率和拒鹽性能。
利用摩方精密PμSL 3D打印系統(tǒng)：S140（精度：10微米），采用紫外光固化丙烯酸樹脂和多壁碳納米管組成的復(fù)合光熱樹脂，一體化制備仿竹筍多孔蒸發(fā)器空錐形多孔結(jié)構(gòu)(BSCPE) ，中空間隙200-1000μm，表面分布多孔，孔徑200-600μm。其仿生微通道的毛細(xì)管效應(yīng)可以驅(qū)動高達(dá) 126.0 毫米的液體，為蒸發(fā)提供持續(xù)的供水并降低液體表面壓力，從而提高蒸發(fā)效率。同時，三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度梯度，誘發(fā)馬蘭戈尼對流，促進(jìn)鹽水從高濃度地區(qū)流向低濃度地區(qū)。這種對流和毛細(xì)管流體補(bǔ)充共同作用以維持鹽濃度平衡，從而能夠在 20 wt% 的鹽水中長期海水淡化超過 200 小時。將有效實(shí)現(xiàn)長期海水淡化，從而有可能緩解全球水資源短缺問題。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164253
Advanced Science：用于選擇性油水分離的仿生微流控泵
由于社會快速進(jìn)步，全球能源需求持續(xù)增長。石油作為一種重要的能源，在推動工業(yè)發(fā)展和提振國民經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮著不可或缺的作用。盡管原油泄漏很重要，但自然災(zāi)害、船舶碰撞和人為錯誤導(dǎo)致的原油泄漏頻繁發(fā)生，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并導(dǎo)致大量能源損失。
大自然提供了許多功能結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)激發(fā)了各種應(yīng)用仿生技術(shù)的發(fā)展。來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所和香港理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，從黃瓜卷須彈簧的形態(tài)學(xué)特征中汲取靈感，設(shè)計(jì)開發(fā)一種仿生彈簧微通道（SMC），利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D 打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)柔韌性、拉伸性和高效的液體輸送結(jié)構(gòu)制備。所提出的仿生 SMC 具有連續(xù)的螺旋微觀結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)液體的定向流動和分離，并利用其他液體和氣體不同的分子極性選擇性地防止其他液體和氣體的進(jìn)入。彈簧式設(shè)計(jì)通過動態(tài)變形提高油水分離效率，對各種粘度和流量具有卓越的適應(yīng)性，而其開放式結(jié)構(gòu)可防止堵塞并確保可持續(xù)性能，并輔以模塊化微通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的工業(yè)集成。
這種簡單但高效且精確的 3D 打印方法，可產(chǎn)生既可擴(kuò)展又具有卓越分離效率的微流體結(jié)構(gòu)，在分離甘油、石油等高粘度流體方面表現(xiàn)出卓越的效率。值得注意的是，這些仿生微通道被有效地用于分離被太陽能加熱的原油，從而降低其粘度并展示實(shí)際應(yīng)用潛力。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202503511
結(jié)語
微納3D打印技術(shù)在能源科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，已不再局限于構(gòu)型新穎的概念探索，而正在逐步演化為具有實(shí)用性的構(gòu)建工具。在微觀尺度、多材料體系下對結(jié)構(gòu)的高精度控制，為提升能量密度、界面反應(yīng)速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了綜合解決方案。
然而，從實(shí)驗(yàn)室研究走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)部署仍面臨諸多挑戰(zhàn)，推動材料科學(xué)、先進(jìn)制造與能源工程的深度融合，將是下一階段技術(shù)躍遷的關(guān)鍵。作為全球領(lǐng)先的微納尺度3D打印技術(shù)提供商，摩方精密也將以持續(xù)突破的技術(shù)實(shí)力與開放協(xié)作的產(chǎn)業(yè)姿態(tài)，為下一代能源系統(tǒng)的創(chuàng)新注入源源不斷的技術(shù)動能與場景連接力。
