研發(fā)團(tuán)隊下一步將開發(fā)可單步全息固化的光子芯片系統(tǒng)。
近日,麻省理工學(xué)院(MIT)與得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校聯(lián)合開發(fā)出了全球首款芯片級3D打印機(jī)原型。相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》子刊,團(tuán)隊下一步將開發(fā)可單步全息固化的光子芯片系統(tǒng)。
據(jù)悉,原型芯片搭載160納米厚光學(xué)天線(普通紙張約10萬納米厚),整體尺寸甚至小于25美分硬幣,可通過毫米級光子芯片發(fā)射可重構(gòu)光束,使樹脂在可見光波長照射下快速固化成型。
研究人員透露,他們?nèi)诤狭斯韫庾訉W(xué)和光化學(xué)領(lǐng)域的技術(shù),首次提出了基于芯片的3D打印機(jī)方案。他們強(qiáng)調(diào),該系統(tǒng)僅包含一枚毫米級的單一光子芯片,無任何移動部件。該芯片向一個簡單、靜止的樹脂槽發(fā)射可重構(gòu)的可見光全息圖,從而實現(xiàn)了非機(jī)械式的3D打印。
該團(tuán)隊通過實驗,展示了一個受立體光刻啟發(fā)的、基于芯片的3D打印機(jī)的概念驗證版本。他們使用了可見光束轉(zhuǎn)向集成光學(xué)相控陣和可見光固化樹脂,首次展示了使用芯片系統(tǒng)進(jìn)行3D打印。
值得一提的是,實驗中的樹脂經(jīng)過特殊優(yōu)化設(shè)計,可在特定可見光波長下迅速固化。研究人員成功打印出包括“M-I-T”字母在內(nèi)的任意二維圖案,全程僅需幾秒時間。設(shè)備工作時,外部激光驅(qū)動天線向樹脂槽發(fā)射可控可見光束。研究人員采用液晶材料制成緊湊型調(diào)制器(長約20微米),通過電場精確調(diào)控光束振幅與相位,實現(xiàn)非機(jī)械式光束轉(zhuǎn)向。
研究人員宣稱,他們的方法為實現(xiàn)下一代高度緊湊、便攜且低成本的3D打印機(jī)解決方案邁出了第一步。僅用一枚光子芯片就能在手掌中秒級創(chuàng)建3D物體,這將變革現(xiàn)代制造業(yè),正如3D打印已經(jīng)徹底改變了創(chuàng)新者在現(xiàn)代社會幾乎所有領(lǐng)域的創(chuàng)造方式。
目前的3D打印機(jī)依賴龐大且復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)來實現(xiàn)材料的逐層疊加。這限制了打印速度、分辨率、便攜性、外形尺寸和材料的復(fù)雜性。但麻省理工團(tuán)隊的最新創(chuàng)新解決了這些局限。
他們還創(chuàng)造了一種微型“牽引光束”(tractorbeam),利用芯片發(fā)出的光束捕獲和操控生物粒子。這可以幫助生物學(xué)家研究DNA或探究疾病機(jī)制,而不會污染組織樣本。
這個微型裝置使用高度聚焦的光束來捕獲和操控細(xì)胞。這項創(chuàng)新為集成光學(xué)鑷子(opticaltweezers)引入了一種新模式,極大地擴(kuò)展了其效用及與現(xiàn)有應(yīng)用(尤其是生物實驗)的兼容性。
研究人員預(yù)計,這項工作中引入的基于芯片的3D打印技術(shù),有潛力為下一代3D打印機(jī)提供高度緊湊、便攜且低成本的解決方案。根據(jù)團(tuán)隊的方法,這種解決方案將為生成3D物體提供更易獲取且更快速的機(jī)制,影響包括軍事、醫(yī)療、工程和消費領(lǐng)域在內(nèi)的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。
迄今為止,已有多種3D打印方法實現(xiàn)了商業(yè)化,包括擠出(extrusion)、粉末床熔融(powder-bedfusion)、噴墨(jetting)和光誘導(dǎo)聚合(light-inducedpolymerization)等技術(shù)。在消費級層面,熔融沉積建模(FusedDepositionModeling,FDM),一種基于擠出的方法是最廣泛使用的3D打印類型。
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