从光纤到微机器人，双光子3D打印技术所造就的经典之最

本文作者

崔万银（德国卡尔斯鲁厄-KIT大学理工博士，南京大学物理系学士及硕士）

     谈起3D打印，大家立刻就想到发烧友们打印的形状各异的各种模型。可是不一定会想到，有这么一种早已商品化的3D打印技术-双光子或多光子加工技术，正在因其打印的精度,在全球最顶尖的科研机构大显身手呢！以至于六所全球排名前十的大学比如说哈佛，斯坦福，加州理工都已经使用上了这套技术。

      未来学家Christopher Barnatt曾提到双光子或多光子加工技术的潜在影响力是惊人的，未来有可能成为主流的3D打印形式。为什么眼光如此高，而国际竞争又如此激烈的科研市场会垂青这套在国内并不算知名的技术呢？下图你就能看出来原因了。

图1：三维微透镜阵列

     是的，图上的半球的平整度已经达到了几十个纳米，足以超过各位手机相机镜头的平整度了。几十个纳米是个什么概念呢？举个简单的例子，头发丝的直径是几十个微米，也就是说，平整度达到了头发丝的千分之一。

     你也许会想，这样的技术应该是最近开发出来的吧。事实上，早在上个世纪的三十年代，一个德国的女博士，MariaGöppert已经从理论上设想出了这套技术，这就是俗称的双光子或多光子加工技术。这套技术的核心是光和物质的相互作用。通过将飞秒激光器发出来的高能激光聚焦于极小的三维焦点上，位于焦点处的材料吸收能量快速固化。然后通过纳米量级移动精度的三维压电陶瓷台的运动或者分层激光扫描的方式实现了三维激光在微米和纳米尺度下的器件加工。下面是加工原理的示意图：

图2: 双光子加工的原理

     有了这样的技术，很多以前很难甚至无法实现的加工就可以轻松的用3D打印的方法来实现了，比如说人工骨骼这样超硬但是超轻的材料。骨骼的硬度主要依靠的是它复杂的三维构型，现在加州理工教授Julia Greer的课题组，已经从能够在实验室里制备出甚至比骨骼更硬的超轻材料了。可以想象，某一天这种材料运用到宇宙飞船上，也许飞船就不需要那么巨大的推进火箭了。Greer教授的这项工作被麻省理工科技评论评价为2015年度世界十大技术突破之一。下图是这种材料的电子显微图像

图3：3D微打印出的超轻且超硬材料

      在通信领域，一个传统的难题是两个光子芯片之间的桥接，因为光是以波的形式传输的，所以不像电信号那么可以简单接触就行，而是需要根据光纤与芯片接点处的情况进行定制加工。德国卡尔斯鲁厄研究中心的Christian Koos教授利用这套3D打印技术成功打印出来了光纤，其单通道的通信速度达到了5太比特每秒，足以满足全德国人同时语音通话所需要的带宽了，而这根光纤的宽度只有区区几个微米。

图4：3D打印出的芯片间的光纤通道（Hoose/Lindenmann, Karlsruhe Institute of Technology）

      最近比较热门的一个话题就是机器人的微型化。微型的机器人可以完成很多以前想也不敢想的工作，比如说清除人体内垃圾，或者在病变组织处进行药物定点投放。苏黎世理工的Bradley Nelson教授和香港中文大学的张立教授几年前就成功的制造出磁场驱动的微机器人，实现了人类在机器人研究领域的一大突破。

双光子技术为基础的3D打印也为科学家们理解干细胞的成长，分化或者癌细胞的生长，扩散提供了有力的手段。下图的干细胞生长的细胞支架就是3D打印出来的。

图5：细胞生长在3D打印的细胞支架中（Bastmeyer, Karlsruhe Institute of Technology）

    关于这套3D微纳打印技术的诸多应用，由于篇幅关系没法在此一一枚举。在此诚挚的希望它能够为我国的国防，医疗以及科研事业做出应有的贡献。