王馨慧

研發(fā)團(tuán)隊(duì)下一步將開(kāi)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(kāi)發(fā)出了全球首款芯片級(jí)3D打印機(jī)原型。相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》子刊，團(tuán)隊(duì)下一步將開(kāi)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(xiàn)（普通紙張約10萬(wàn)納米厚），整體尺寸甚至小于25美分硬幣，可通過(guò)毫米級(jí)光子芯片發(fā)射可重構(gòu)光束，使樹(shù)脂在可見(jiàn)光波長(zhǎng)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(jí)的單一光子芯片，無(wú)任何移動(dòng)部件。該芯片向一個(gè)簡(jiǎn)單、靜止的樹(shù)脂槽發(fā)射可重構(gòu)的可見(jiàn)光全息圖，從而實(shí)現(xiàn)了非機(jī)械式的3D打印。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，展示了一個(gè)受立體光刻啟發(fā)的、基于芯片的3D打印機(jī)的概念驗(yàn)證版本。他們使用了可見(jiàn)光束轉(zhuǎn)向集成光學(xué)相控陣和可見(jiàn)光固化樹(shù)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(shí)驗(yàn)中的樹(shù)脂經(jīng)過(guò)特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在特定可見(jiàn)光波長(zhǎng)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(shí)間。設(shè)備工作時(shí)，外部激光驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)向樹(shù)脂槽發(fā)射可控可見(jiàn)光束。研究人員采用液晶材料制成緊湊型調(diào)制器（長(zhǎng)約20微米），通過(guò)電場(chǎng)精確調(diào)控光束振幅與相位，實(shí)現(xiàn)非機(jī)械式光束轉(zhuǎn)向。

研究人員宣稱(chēng)，他們的方法為實(shí)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(jí)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(huì)幾乎所有領(lǐng)域的創(chuàng)造方式。

目前的3D打印機(jī)依賴(lài)龐大且復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(duì)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(huì)污染組織樣本。

這個(gè)微型裝置使用高度聚焦的光束來(lái)捕獲和操控細(xì)胞。這項(xiàng)創(chuàng)新為集成光學(xué)鑷子（opticaltweezers）引入了一種新模式，極大地?cái)U(kuò)展了其效用及與現(xiàn)有應(yīng)用（尤其是生物實(shí)驗(yàn)）的兼容性。

研究人員預(yù)計(jì)，這項(xiàng)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(duì)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(fèi)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(shí)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(fèi)級(jí)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(lèi)型。

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