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长期以来，微纳制造技术的发展始终围绕一个核心目标：如何将光控制得更细、更快、更精准。从传统光刻到双光子聚合以及体积打印，研究人员不断通过缩短曝光波长、提高数值孔径或优化光场分布来突破制造精度。然而，在实际材料加工过程中，最终决定结构形成边界的并不仅仅quyu是光场本身，还包括材料内部复杂的化学反应及其空间传播。自由基扩散、分子无序排列以及反应向非曝光区域蔓延等因素，往往使“光照的位置”与“最终发生化学反应的位置”之间存在偏差，成为进一步提升微纳制造精度的重要挑战。

近日，中国科学院化学研究所赵进才院士团队张一帆课题组联合深圳凯佳光学科技有限公司在 Angewandte Chemie International Edition 上发表研究成果，提出“Light-Defined Reaction Field（光定义反应场）”新概念。该研究通过构筑具有高度有序分子排列的单共晶光刻胶，利用拓扑化学级联反应将二维投影光场直接转化为具有精确空间边界的三维化学反应场，进而实现三维微纳结构的单次投影制造。这一策略突破了传统微纳制造主要依赖光学系统调控空间分辨率的思路，为通过分子有序组装和化学反应设计实现高精度、低能耗、可编程三维制造提供了新的材料设计理念。

1. 从“控制光场”到“控制反应场”

传统光刻和光固化制造中，光承担触发化学反应的作用。虽然可以通过精密光学系统实现高度局域化的光场分布，但光激发产生的活性物种及后续化学反应仍可能在材料内部发生扩散，从而造成光学输入与化学输出之间的不确定性。特别是在追求更高分辨率和更复杂三维结构时，材料内部化学反应的空间失控逐渐成为限制制造精度的重要因素。

针对这一问题，研究团队并未进一步从缩小光斑或提高光学系统复杂度入手，而是提出通过预先设计材料内部的分子排列和反应路径，使化学反应本身获得空间可控性。研究团队构建的单共晶光刻胶具有高度有序的分子排列，反应基团之间保持确定的空间距离和相对取向。当光照进入材料后，光不再仅仅决定“是否发生反应”，还能够通过局域光强进一步定义化学反应的空间传播范围和深度，从而形成由光场直接编码的三维反应区域，即“光定义反应场”。

这一概念建立了二维光场、三维化学反应场与最终三维结构之间的确定性关联，为突破传统“光场直接决定结构”的制造模式提供了新的路径。

图1. 光定义反应场的概念及单共晶光刻胶中拓扑化学反应的空间调控机制。

2. 有序分子排列让化学反应沿预设路径传播

实现光定义反应场的关键在于材料内部高度有序的分子组织。与传统聚合物光刻胶或无序光敏树脂不同，单共晶光刻胶中的反应分子以规则方式排列，分子间的距离和取向受到晶体结构的严格约束。

这种预组织结构使光激发后的化学反应不再表现为随机扩散，而能够沿预先建立的拓扑化学反应路径逐步进行。换言之，研究团队将传统制造中难以避免的化学反应“扩散问题”，转化为可通过晶体结构和分子排列进行设计的“反应传播问题”。在此基础上，不同区域的局域曝光剂量可以对应不同的反应程度。二维投影图案中的灰度信息进一步被转化为材料内部不同深度的化学反应，从而建立二维光强分布与三维反应轮廓之间的映射关系。经过后续显影处理后，反应场的三维边界即可直接转化为实际的三维微纳结构。

图2. 二维灰度投影光场向三维化学反应场及三维结构的转化过程。

3. 单次投影实现秒级三维微纳制造

基于上述机制，研究团队进一步建立了单次投影三维光制造方法。研究中采用数字微镜器件（DMD）对二维图案进行空间光强调制，并通过灰度编码控制材料不同区域的反应深度。与传统逐层制造方式不同，该方法无需逐层堆叠，也不需要多次扫描曝光。经过计算编码的二维投影图案即可在一次曝光过程中直接写入三维反应信息，实现从二维图像到三维微纳结构的直接转换。

该方法可实现153 nm的横向分辨率和3.5 nm的轴向分辨率，同时获得约5 nm的低边缘粗糙度。由于光定义反应场能够提高光化学过程的空间利用效率，该体系还可在微瓦级低光功率下完成曝光，为降低高精度微纳制造过程中的能耗提供了新的可能。此外，研究团队制备的单共晶光刻胶具有毫米级尺寸，为高质量三维结构的大面积、快速制造提供了材料基础。整个制造过程能够在秒级至较短时间尺度内完成，展现出高精度与高效率兼具的特点。

通过建立局域光剂量与材料反应深度之间的定量关系，二维图案中不同的灰度等级能够直接对应不同的三维结构高度。因此，一个经过人工智能计算设计的二维灰度图像，即可编码完整的三维形貌信息。在一次投影曝光后，材料内部形成相应的三维反应场，经显影后在几十秒内直接获得目标三维结构。这种“二维计算输入—三维化学反应—三维实体输出”的模式，为复杂三维微纳结构的快速制造提供了新的技术方案。

图3. 基于灰度编码的三维光打印系统及不同复杂三维结构的制造效果。

4. 从结构制造进一步走向功能器件

为了验证该方法的实际应用潜力，研究团队进一步利用这一技术制造了具有明确功能的微纳器件。研究团队通过灰度投影直接制备了微透镜阵列。不同于传统微透镜制造通常需要复杂模具、热熔或多步曝光工艺，该方法能够通过单次光投影直接形成具有连续三维曲面的微结构。所制备的微透镜阵列可对入射光进行有效调控和聚焦，为提升CCD、CMOS等光电探测器的光利用效率提供了应用基础。

此外，研究团队还展示了亚微米尺度互指电极结构的制造，并通过后续金属转移获得微纳电路。这表明，光定义反应场不仅适用于展示复杂三维微结构，还能够进一步服务于微电子器件、MEMS、柔性电子和传感芯片等功能器件的制造。

图4. 光定义反应场在微透镜阵列及微纳电路制造中的应用展示。

5. 为下一代光打印材料提供新的分子设计思路

该研究的重要意义不仅在于实现了一种新的三维制造方法，更在于提出了一个新的材料—光场—化学反应协同设计框架。过去，微纳制造技术的性能提升往往主要依赖更先进的光源、更复杂的光路以及更精密的光场调控。而本研究表明，当材料内部的分子排列和化学反应路径能够被精确设计时，制造精度并不完全由光学系统单独决定，材料自身也可以成为突破空间制造极限的重要组成部分。研究提出的“光定义反应场”概念有望进一步拓展至其他有序材料体系，例如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）及液晶等，为下一代光刻和光打印材料的发展提供新的分子设计原则。未来，通过光学系统、反应化学、材料结构与计算设计的深度协同，有望进一步推动微纳光学、先进半导体制造、MEMS、微机器人及生物器件等领域的发展。

6. 从“光照到哪里”到“反应发生在哪里”

从更广阔的制造理念来看，这项工作体现了微纳制造研究思路的一次转变。

过去，人们主要关注如何进一步压缩和精准调控光场；而该研究进一步提出，除了控制光本身，还可以通过材料分子设计直接控制光所触发的化学反应如何在空间中发生和传播。

从“控制光”到“控制反应”，研究团队建立了二维投影光场与三维化学反应场之间的直接映射关系，并将这种化学空间信息进一步转化为真实的三维微纳结构。该研究为高分辨率、低能耗、快速且可编程的先进微纳制造打开了新的可能，也表明未来先进制造将更加依赖光学、化学、材料科学与计算设计之间的深度融合。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。