发泡，发了一篇Nature！

2026 年9月9日，京都大学秦德韬助理教授和Easan Sivaniah教授在国际学术期刊《自然》上发表了光刻图案化的突破性研究成果。研究团队提出 “深度发泡光刻（Deepfoam Photolithography，DFP）” 的全新制造范式，将光刻与高分子发泡相结合，使泡孔生长精准限域于预定区域，实现高分子材料的可定制图案化发泡；同时调控泡孔从微观成核、生长到宏观结构形成的跨尺度演化，进而实现高分子材料多尺度结构的精准构筑，为多孔高分子材料的微纳制造及光学应用开辟了新路径。相关论文以“Foaming photopolymers as a high-resolution biomimetic printing platform”为题，发表在Nature杂志，该研究还得到了东华大学朱美芳院士团队的支持。

值得一提的是，早在2019年，秦德韬助理教授就以第三作者身份发表Nature(详细报道：报道了通过有序设计聚合物内部的应力场，有序调节聚合物中微纤维和微腔的结构(microfibrillation)，从而显示出可调控的结构颜色的新技术。

光刻技术支撑着现代半导体工业的发展, 通过图案化曝光改变光刻胶薄膜的局部性质，再经显影或刻蚀将光学图案转化为微纳结构。对于含光引发剂的高分子薄膜，光照产生的自由基不仅可能使分子链交联，也可能造成链断裂。在光引发剂过量或曝光过度时，交联网络与断链小分子会同时形成。这类材料是一种光响应高分子体系。研究团队在体系中创新性引入弱溶剂——它对完整初始高分子的溶解能力有限，但对断链产生的小分子产物具备良好溶解性。弱溶剂会在渗透压驱动下优先向小分子富集区域渗透，进而诱导相分离和局部溶胀，最终形成类似泡沫的多孔高分子结构。因此，在深度发泡光刻（DFP）过程中，光并非直接用于 “刻蚀” 材料，而是通过引发局部化学反应，重塑薄膜内部的高分子结构及其与溶剂的相互作用，再通过“断链—交联—弱溶剂渗透”的协同作用驱动高分子材料的限域发泡。

图1. 深度发泡光刻 （Deepfoma Photolithography）

研究以聚苯乙烯为基准高分子。如图1a所示，DFP发泡过程包括UV-A曝光、弱溶剂诱导相分离、渗透驱动泡孔生长和泡孔粗化四个阶段。快速干燥可实现多孔结构的高效固定与孔隙形态的精准保留。干燥后薄膜具有闭孔泡沫结构，由于米氏散射（即结构特征尺寸与可见光波长接近时，会对光线产生强烈散射）呈现白色外观。未施加打印图案约束的条件下，通过扫描电镜（SEM）观察薄膜截面，测得其厚度膨胀倍率可超过10倍（图1b）。发泡结构会随着溶剂处理时间不断演化，演化过程直观反映在薄膜的白化过程中：在泡孔生长初期，薄膜就能达到最佳白度，性能甚至可以媲美白色甲虫这类天然白色标杆。但如果泡孔持续长大、发生粗化，尺寸超出可见光米氏散射的作用区间，薄膜的发白程度就会逐步减弱（图1c）。

图 2. DFP多用途光刻图案化平台

光引发的高分子反应是该发泡过程的化学驱动根源。通过在曝光阶段施加图案化约束，研究团队进一步搭建出多功能DFP光图案化打印平台。基于发泡结构的强米氏散射效应，DFP可在曝光区域生成高辨识度结构白色，实现无墨白色打印，得到高对比度图案效果。如图2a所示，该平台可灵活适配多种打印、复印场景：通过简易灰度掩模调控分区曝光强度，即可生成层次丰富的灰度图像。例如通过LED投影输入8位灰度图像，使薄膜不同区域接收到差异化的光照强度，光照强度更高的区域在显影过程中泡孔生长更充分，干燥后得到层次过渡自然的打印图案（图2b）。通过microLED设备进行微米级“像素化”曝光，可实现高精度图案打印与微缩印刷（图2c,d），分辨率达到20,000 dpi，并可用于制备可见光衍射结构（图2c-e）。所制备的光栅型图案在改变观察角度时即可显现不同的衍射色彩（图2f）。此外，DFP还可实现衍射色彩与结构白色的同步打印，图2g展示了以SDG标识为模板的打印样品。此外，论文还展示了在电纺纤维毡上完成 DFP 图案化打印（图 2h）。

图 3. DFP塌陷与超疏水图案化

改变研究参数（例如降低初始高分子的分子量）会造成 DFP 泡体结构发生塌陷。聚苯乙烯属于无定形高分子，泡体塌陷后会生成微球结构（图 3a）。若改用半晶高分子双酚 A 聚碳酸酯作为原料，泡体塌陷能够与高分子重结晶过程相耦合，干燥后表面会形成花状分级微纳粗糙结构（图 3b），表现出超疏水特性（静态水接触角可达 164°）。基于上述效应，DFP 能够在薄膜（图 3c）与纤维毡（图 3d）上定制超疏水图案。利用 DFP 构筑的超疏水功能，还可以精准捕获悬浮液内的胶体颗粒（图 3e, f）。

论文总结指出，DFP不仅为多孔结构的精准构筑提供了新的思路，也为传统发泡与精密制造技术的结合提供了新的可能。凭借对结构形成过程的空间调控能力，DFP在印刷制造、微纳加工、仿生材料等领域展现出广阔的研究与应用前景，并有望进一步拓展多孔材料在复杂结构设计与功能集成方面的应用边界。