從光纖到微機器人，雙光子3D列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列印，大家立刻就想到發燒友們列印的形狀各異的各種模型。可是不一定會想到，有這麼一種早已商品化的3D列印技術-雙光子或多光子加工技術，正在因其列印的精度,在全球最頂尖的科研機構大顯身手呢！以至於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列印形式。

「微小」的

大前景

為什麼眼光如此高，而國際競爭又如此激烈的科研市場會垂青這套在國內並不算知名的技術呢？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。幾十個納米是個什麼概念呢？舉個簡單的例子，頭髮絲的直徑是幾十個微米，也就是說，平整度達到了頭髮絲的千分之一。

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，MariaG?ppert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於極小的三維焦點上，位於焦點處的材料吸收能量快速固化。然後通過納米量級移動精度的三維壓電陶瓷台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鬆的用3D列印的方法來實現了，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複雜的三維構型，現在加州理工教授Julia Greer的課題組，已經從能夠在實驗室里製備出甚至比骨骼更硬的超輕材料了。可以想像，某一天這種材料運用到宇宙飛船上，也許飛船就不需要那麼巨大的推進火箭了。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微列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晶元之間的橋接，因為光是以波的形式傳輸的，所以不像電信號那麼可以簡單接觸就行，而是需要根據光纖與晶元接點處的情況進行定製加工。德國卡爾斯魯厄研究中心的Christian Koos教授利用這套3D列印技術成功列印出來了光纖，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列印出的晶元間的光纖通道（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製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列印也為科學家們理解幹細胞的成長，分化或者癌細胞的生長，擴散提供了有力的手段。下圖的幹細胞生長的細胞支架就是3D列印出來的。

圖5：細胞生長在3D列印的細胞支架中（Bastmeyer, Karlsruhe Institute of Technology）

關於這套3D微納列印技術的諸多應用，由於篇幅關係沒法在此一一枚舉。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。

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