從光纖到微機器人，雙光子3D打印技術所造就的經典之最
本文作者
崔萬銀（德國卡爾斯魯厄-KIT大學理工博士，南京大學物理系學士及碩士）
談起3D打印，大家立刻就想到發燒友們打印的形狀各異的各種模型。可是不一定會想到，有這么一種早已商品化的3D打印技術-雙光子或多光子加工技術，正在因其打印的精度,在全球最頂尖的科研機構大顯身手呢！以至于六所全球排名前十的大學比如說哈佛，斯坦福，加州理工都已經使用上了這套技術。
未來學家Christopher Barnatt曾提到雙光子或多光子加工技術的潛在影響力是驚人的，未來有可能成為主流的3D打印形式。為什么眼光如此高，而國際競爭又如此激烈的科研市場會垂青這套在國內并不算知名的技術呢？下圖你就能看出來原因了。
圖1：三維微透鏡陣列
是的，圖上的半球的平整度已經達到了幾十個納米，足以超過各位手機相機鏡頭的平整度了。幾十個納米是個什么概念呢？舉個簡單的例子，頭發絲的直徑是幾十個微米，也就是說，平整度達到了頭發絲的千分之一。
你也許會想，這樣的技術應該是最近開發出來的吧。事實上，早在上個世紀的三十年代，一個德國的女博士，MariaGöppert已經從理論上設想出了這套技術，這就是俗稱的雙光子或多光子加工技術。這套技術的核心是光和物質的相互作用。通過將飛秒激光器發出來的高能激光聚焦于極小的三維焦點上，位于焦點處的材料吸收能量快速固化。然后通過納米量級移動精度的三維壓電陶瓷臺的運動或者分層激光掃描的方式實現了三維激光在微米和納米尺度下的器件加工。下面是加工原理的示意圖：
圖2: 雙光子加工的原理
有了這樣的技術，很多以前很難甚至無法實現的加工就可以輕松的用3D打印的方法來實現了，比如說人工骨骼這樣超硬但是超輕的材料。骨骼的硬度主要依靠的是它復雜的三維構型，現在加州理工教授Julia Greer的課題組，已經從能夠在實驗室里制備出甚至比骨骼更硬的超輕材料了。可以想象，某一天這種材料運用到宇宙飛船上，也許飛船就不需要那么巨大的推進火箭了。Greer教授的這項工作被麻省理工科技評論評價為2015年度世界十大技術突破之一。下圖是這種材料的電子顯微圖像
圖3：3D微打印出的超輕且超硬材料
在通信領域，一個傳統的難題是兩個光子芯片之間的橋接，因為光是以波的形式傳輸的，所以不像電信號那么可以簡單接觸就行，而是需要根據光纖與芯片接點處的情況進行定制加工。德國卡爾斯魯厄研究中心的Christian Koos教授利用這套3D打印技術成功打印出來了光纖，其單通道的通信速度達到了5太比特每秒，足以滿足全德國人同時語音通話所需要的帶寬了，而這根光纖的寬度只有區區幾個微米。
圖4：3D打印出的芯片間的光纖通道（Hoose/Lindenmann, Karlsruhe Institute of Technology）
最近比較熱門的一個話題就是機器人的微型化。微型的機器人可以完成很多以前想也不敢想的工作，比如說清除人體內垃圾，或者在病變組織處進行藥物定點投放。蘇黎世理工的Bradley Nelson教授和香港中文大學的張立教授幾年前就成功的制造出磁場驅動的微機器人，實現了人類在機器人研究領域的一大突破。
雙光子技術為基礎的3D打印也為科學家們理解干細胞的成長，分化或者癌細胞的生長，擴散提供了有力的手段。下圖的干細胞生長的細胞支架就是3D打印出來的。
圖5：細胞生長在3D打印的細胞支架中（Bastmeyer, Karlsruhe Institute of Technology）
關于這套3D微納打印技術的諸多應用，由于篇幅關系沒法在此一一枚舉。在此誠摯的希望它能夠為我國的國防，醫療以及科研事業做出應有的貢獻。
(責任編輯：admin)
納米纖維涂層管狀支架骨再
中美合作團隊《Science》
內燃機增材再制造修復技術
高性能金屬激光增材制造裝
西安交大與哈佛大學合作研
仿真技術與3D打印推動液壓
科學家使用超聲波
