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纳米级的双光子3D打印技术,背后竟有这么多故事

时间:2019-02-18 11:58 来源:南极熊 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
今天要讲的双光子“掏洞”技术,有3个“最”:

-最精细的“雕刻”技术:纳米牛

-与最伟大的物理学家密切相关:爱因斯坦

-类属最时髦的制造技术:3D打印

声明一点:此项技术并不是"在固体中掏出真空洞",而是“液体中掏出固体洞”。与题意可能有偏离,但此技术的核心思想应该是很适合此问题的。

先放上纳米牛。这头牛10微米长,7微米高,加工精度高达150纳米,已接近光的衍射极限。这是东京大阪大学的Kawata教授以及孙洪波教授在2001年研究成果,发表在Nature期刊上[1]。


『图片来源:文献[2]』


有人觉得不过瘾,于2014年在一根针上制作了世界上最小的人体雕塑。


『图片来源:文献[3]』


这就是传说中的“双光子3D打印”技术,也是唯一的“掏洞型3D打印技术”。

何出此言呢? 原来,绝大部分3D打印技术,本质上都是一种“2D堆叠技术”。它们之间的差别,不过是堆叠材料不同、成型原理不同而已。

以最著名的SLA光固化3D打印来说:

-基本原理:光敏树脂被激光点照射后,由液体变成固体;未被照射则保持为液体。

-2D绘画 :每次仅在“固液结合面”上成型,形成薄薄的一层图案。

-堆叠成型:画完第1层之后,再画第2层,循环往复……

那么,只要激光点足够小、层层之间的高度足够低,不就可以制作超高精度的雕塑了吗?又干嘛非要用“掏洞型”的双光子3D打印技术呢?

其实工程上的情况,一般都要比理论复杂。就举一个最显而易见的工程问题,SLA打印技术,在“固液结合面”上打印过程中和Z轴移动过程中,免不了要产生微小的涟漪。

这些涟漪很细微,几乎观察不到。之所以不影响SLA打印,是因为SLA的打印精度一般在0.1毫米左右,也就是100微米或者100000纳米,离纳米级的精度还差成千上万倍啊!

所以,我们决定放弃“固液结合面”成型。换个思路,直接在液体内部掏出固体如何?

这就是所谓的“掏洞型”3D打印技术。

穿透液体去“掏洞”,没那么容易

在液体中的掏洞原理,说起来简单,但又不简单。



为什么说起来简单呢?因为它的基本思路太常见了:利用弱光穿透表面液体,在一点处汇集成强光实现固化。

不好意思放错图了,应该是下面这张图:



这就是简单的凸透镜/凹面镜聚光原理:每一束弱光强度都不够,但在焦点处会产生强大的效应。这东西还超便宜,淘宝上几十块钱一个。

早在几千年前,阿基米德还利用这一原理以弱胜强呢,就像咱们小时候用放大镜来烧死蚂蚁一样。


『阿基米德的故事』


这个原理是不是太简单了?放在几千年前,这称之为大智慧,我是信的。但要说这与爱因斯坦有关,那不是开玩笑吗?

但实际上,“掏洞型”的双光子3D打印一点也不简单! 它与量子理论的发展相依共舞、前前后后花了100多年才能实现。究竟是怎么回事?



原来,激光束在聚焦的同时,也在被沿途的液体吸收。

聚焦效应:越深越强。

吸引效应:越深越弱。

变强与变弱两种效应针锋相对,当矛与盾相遇,熟强熟弱呢?还是来算一下吧:

聚焦效应就是一个几何方程,按平方反比增强:



公式不直观,定性地做个图看看,可以发现:负指数的吸收效应太强了(红色线),才不到2%的深度就完全主宰了平方反比的聚焦效应(蓝色线)。最终效果是:两种效应下,越深光强越弱,完全达不到“掏洞”的目的。

注:I(x)并非是单调递减函数。公式中有介质参数α、焦距参数f等。若任意选择参数,也是有可能实现聚焦效果的,但在现实世界中并不存在这样的参数。


(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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