据麦姆斯咨询介绍，受中国古代“榫卯”结构技术的启发，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家们开发出了一种制造先进陶瓷微粒的新方法，其制造的微粒仅比人类头发丝的直径稍大一点。
榫卯是在两个木构件上所采用的一种凹凸结合的连接方式。凸出部分叫榫（或榫头）；凹进部分叫卯（或榫眼、榫槽），榫和卯咬合，起到连接作用。这是中国古代建筑、家具及其它木制器械的主要结构方式。
采用榫卯结构组装微流控芯片微通道的原型
南洋理工大学的材料科学家们利用这种方法组装了一种微流控芯片，能够以前所未有的复杂性和精确度生产并塑造微小的陶瓷微粒。他们的研究成果已经以“One-pot microfluidic fabrication of micro ceramic particles”为题发表在Nature Communications上。
所制造的微粒具有各种复杂的形状和精确的尺寸，例如十齿齿轮或带棱角的三角形，可广泛应用于微电子、航空航天、能源、医疗和机械工程等领域。
例如，四面体形状的二氧化锆（ZrO2）微粒可以改善太赫兹发射器和接收器的性能和功能，它们通常用于成像，例如安全、医疗诊断和制造过程中的质量控制等。
类似的，八面体形状的二氧化硅（SiO2）微粒可以增强材料的强度和韧性，而齿轮形状的陶瓷微粒则可以用于机械传动。
微机械加工和激光烧结等传统制造方法，在分辨率和批量生产这种微小、复杂形状微粒方面存在局限性。
由于材料特性和微粒的微小尺寸，目前的方法难以实现边缘锐利且不透明的微颗粒。相比之下，南洋理工大学的方法通过简单的三步工序，有效地解决了这些挑战。
首先，研究人员通过将塑料基板成型并切割成多块部件来形成微流控芯片，每块基板的形状都经过精心设计，以便与下一块基板相匹配，从而形成一个中空通道。
为确保微流控芯片的各个部件精确对齐，每个部件上都设计有可完美互锁的榫头和榫槽。然后将这些部件组装在一起，形成一个管状模具，并用聚碳酸酯夹具将结构固定，以保持其完整性。
然后，将一种特殊的聚合物溶液和陶瓷纳米颗粒注入微流控芯片，并在其中充分混合。再使用加热工艺将混合物固化，并在芯片内交联形成固体材料。
最后，当凝固的材料从微流控芯片中挤出时（就像制作香肠），再被切成所需要的厚度。这一步骤可确保最终产品符合各种应用所需要的特定尺寸。
研究人员通过所提出的“一锅法微流控制造”（OPMF）系统制造齿轮状微粒
这种新方法大大提高了生产速度，比现有方法快10倍，并使所制造微陶瓷颗粒的质量达到了前所未有的水平。
这种微流控芯片的构造灵感来源于历史悠久的“榫卯”结构技术，这种工艺使用互锁的榫头和榫槽来代替钉子或胶水。
1973年，在余姚市河姆渡镇发现了距今六、七千年的新石器文化遗址，人们称之为河姆渡遗址，在遗址中人们发现了大量榫卯结构的木质构件。自14世纪以来，韩国一直用它来建造建筑，首尔的景福宫就是用它建造的。日本的寺庙中也有它的身影。
南洋理工大学材料科学与工程学院首席科学家Nam-Joon Cho教授从自己的土木工程背景出发，重点介绍了这项技术背后的灵感来源。
Nam-Joon Cho教授介绍称：“我们的方法灵感来自中国建筑中使用的古老工艺，长期以来，东亚多国的建筑一直利用这种精确的榫卯技术来建造能维持数百年的耐用结构。于是我们就想是否可以将这种技术进行跨学科应用，通过与化学和材料科学的结合来制造稳定而坚固的微粒。”
这种新型微加工方法表明，随着技术越来越微型化，即使在最具挑战性的微尺度水平上，榫卯技术也能满足现代人对精度和复杂性的要求。这种方法代表了微米级制造技术的重大进步，也是传统技术如何激发当代技术创新的典范。
利用榫卯组装策略（GTA）和滑动装配策略（SA），制造各种材料和形状的微粒
总结来说，研究人员提出了一种“一锅法微流控制造”（OPMF）系统，可利用透明的SiO2以及不透明的Al2O3和Si3N4等材料制造出各种尖角微粒。此外，本研究还从中国古代智慧中汲取灵感，发明了两种微流控通道设计，包括榫卯组装策略（GTA）和滑动装配策略（SA），以增加微流控通道的形状复杂性、精确性和多样性。
与现有的微工具制造方法相比，该方法在保持等效的微工具形状复杂性、多样性、尺寸范围、边角锐利度和表面粗糙度的前提下，生产率提高了两个数量级以上。研究人员通过增加固体含量，采用优化设计的烧结曲线，提高了微粒的密度和强度。此外，研究人员还对Al2O3和Si3N4等非透明材料进行了深入研究，使微粒具有加工金属、塑料和木材等各种材料基底所需要的耐久性和韧性。这些进展展示了这些坚固的微粒作为MEMS、微型机器人以及微加工和显微外科手术中精密仪器关键部件的潜力，标志着微尺度材料制造技术取得了长足进步。
对于该研究项目的下一阶段，Nam-Joon Cho教授和他的团队正在努力将这些新开发的微型部件组装形成一种工作机制，作为概念验证，以展示不同类型微型机械的使用案例。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53016-8
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