三维超材料与微流体芯片的集成受制于两大技术难题：一方面，复杂三维结构的高精度制造尚存局限；另一方面，异质键合封装流程繁琐，极易引入界面污染并导致结构失配，这对传统微纳制造及集成工艺的兼容性提出了严峻考验。该工作首次利用投影微立体光刻技术一次成型螺旋微流通道与流体芯片结构，再通过液态金属填充完成金属化，从而把三维手性超材料和微流通道集成在同一个封装中。该工作围绕左/右手螺旋超材料的圆偏振选择响应，设计了太赫兹流体传感芯片（TFSC）和流体驱动的太赫兹动态显示芯片（FTDDC）。科研人员作把高精度增材制造、微流体控制和太赫兹手性超材料整合在一起，不仅绕开了传统二维工艺和后封装步骤，也为可重构太赫兹传感、动态成像和流体驱动的太赫兹超材料器件的制造与研究提供了新的方法。
中国矿业大学刘海教授团队近日在《Advanced Functional Materials》期刊上在线发表题为“3D-printed Terahertz Metamaterial Microfluidic Chips for Dynamic Optofluidic Sensing and Imaging”的最新原创成果。文章第一作者为博士研究生戴耀威。该工作利用887700葡京线路检测主页精密面投影微立体光刻（PμSL）技术一次成型集成三维超材料的太赫兹微流体芯片，体现了微纳3D打印在太赫兹光流控传感与动态成像中的独特技术优势。
首先，研究人员受水绵螺旋带状叶绿体的启发，设计了互为镜像的左/右手螺旋阵列结构（图1）。基于该阵列优异的手性光学响应，研究团队进一步开发了两款太赫兹微流体芯片，分别利用旋光性和圆二色性实现了流体传感与动态近场成像。在器件制备方面，采用887700葡京线路检测主页精密microArch® S230A(精度：2 μm）3D打印系统，成功实现了该微流体芯片的高精度三维打印制造。
图1. 螺旋超材料阵列和太赫兹微流体芯片。
图2展示了太赫兹微流体芯片从设计到制备的完整工艺流程。通过太赫兹时域偏振光谱系统测试表明，实验结果与仿真数据在目标频率（0.3 THz）处高度吻合，充分验证了3D打印工艺的稳定性和一致性（图3）。多极子散射功率的计算进一步解释了螺旋阵列产生手性响应的物理机制。
图2. 超材料微流体芯片的制造流程与样品的光学图片。
图3. 左/右手螺旋阵列的太赫兹手性光谱及其多极子散射功率。
基于手性螺旋阵列的太赫兹微流体传感芯片（TFSC），利用3D打印技术将螺旋阵列周围的树脂掏空，构建出独立的液体传感区域；这种复杂的三维结构是传统减材制造工艺难以实现的。图5进一步呈现了TFSC在检测乙醇-柴油混合燃料时的流道填充状态和传感性能。实验结果表明，该芯片实现了对混合燃料中乙醇的最低检测限为180 ppm，展现出卓越的痕量物质识别能力。研究人员将螺旋阵列排列成7段数码管图案，通过在螺旋流道内填充液态金属或盐酸溶液，动态调节微流控芯片的局部手性响应，从而实现太赫兹近场成像。液态金属与盐酸溶液经过70次循环填充实验后，流道内壁无明显残留，结构无形变，证明了树脂材料的稳定性。
总结：利用PμSL 3D打印技术，研究人员克服了太赫兹超材料微流控芯片在制造与封装方面的难题，提出了一种动态太赫兹光流控平台。该技术实现了超材料与微流通道的一体化制造，不仅使以往难以实现的复杂三维结构成为可能，还大幅降低了生产成本。研究进一步表征并分析了螺旋结构的手性响应，并利用其旋光性和圆二色性设计了两种不同类型的太赫兹功能器件。首先，3D打印极大地拓展了太赫兹传感芯片的设计自由度。作为一种动态光流控传感芯片，TFSC凭借其精密的三维结构，不仅实现了超材料与传感液体的有效隔离，还增强了电磁场与待测物质的相互作用。其次，FTDDC利用流体压差动态切换微通道内的填充介质，从而实现了对芯片局部手性响应的精确调控。基于这一机制，FTDDC成功实现了动态太赫兹成像，将光流控成像的概念拓展至太赫兹波段。这两种太赫兹光流控芯片的提出，不仅证明了PμSL 3D打印技术突破了传统微流体器件设计与制造的局限，也为流体驱动的太赫兹超材料的开发与应用开辟了广阔前景。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77295
