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印出童话法宝
陈世祈发明纳米打印机令隐形成真

2021年4月

(Eric Sin摄)

一种列印速度和精细程度都破纪录的纳米打印机横空问世,甚至能打印出「隐形斗篷」来遮蔽物件。军事人员和魔术师可要注意了。

由中大工程学院陈世祈教授研发的这款打印机,可以制造出能操控光的超材料表面,并能随时排拒光线。薄如蝉翼的外罩可使战斗机甚至人的轮廓变得模糊不清,俨如穿上「魔法披风」,使物体无法被肉眼看到。

「我们可以像童话里的角色穿上它。」陈教授笑着说:「只要用对解析度和材料,任何你想藏起来的东西都能无影无踪。」

新打印机在三方面都是破纪录的,其打印速度、精细程度和成本控制皆创高峰。该技术称为FP-TPL,全名是飞秒镭射投影技术。飞秒激光是脉冲激光的一种,它们不会发出连续的光,具有高功率,但平均用电量却非常低。

与现有的纳米打印机相比,陈教授的发明将生产成本降低了98%,生产率提高了一千至一万倍,细致度则达到140x175纳米。

FP/TPL系统的光学装置<em>(Eric Sin摄)</em>

陈教授正在为打印机申请专利,他的发明早已在2019年10月的《科学》期刊上作重点介绍。随着进一步的改良,打印机可在不久将来把多种不同物料的精细度再提升5至10纳米,这将令物理学家曾经预言但从未造出的新物件得以创制出来。

现有的双光子打印技术是依赖扫描一连串点的过程,缓慢且昂贵。这种3D微型打印过程需要几天的打印时间才能生产出少量的材料,只可满足某些特殊药品递送机械人和容易产生化学反应的材料之要求,使用范围有限。

陈教授指出:「以往需要几小时才完成的列印,现在数秒即可,而不需牺牲精细度。传统模式声称只可能在速度和精细度中二择其一,而我们则实现皆可兼得。」

传统的3D打印技术使用逐点扫描的方法,将激光聚焦到一个点上去制作物料。陈教授的设置改变了沿着激光束路径的脉冲宽度,从而令有图案的光片得以形成,于是可以一次过打印整张图案片。

以石墨烯量子点打印而成的中大校徽,由聚焦显微镜拍摄。图中白线长度代表二十微米,约为一根头发丝直径三分一

这项技术称为「并行处理」,精细度低一直为人诟病。陈教授团队的灵感来自荧光显微镜中称为「时间聚焦」的概念,透过形成纤薄的光片来覆盖较大的范围进行打印,而不仅仅是在细小的点上列印。

团队用现成的数字微镜设备代替传统列印中使用的衍射光栅,该数字微镜设备是「德州仪器」生产的一种芯片,在每个投映机和电影院中都能找到。该设备里数百万个微镜可以各自面向两个方向,意味着它们可以被编程为接受光或排拒光。这些微镜起着电子「面具」的作用,使光可以随意被编程,因此能够打印出各式各样的图案片。

这些光片变得非常纤薄,厚度少于一微米,即是说精细度可以大大提高。FP-TPL系统还可以进行快速打印,因为它可以一次过打印整张光片,每秒钟可打印一百至一千片,速度远远抛离点扫描打印,同时不会降低精细度。

陈教授在机械与自动化工程学系任教,他知道其团队的强项在于研发光学系统和精密机器,即是硬件。他们必须与物料科学家和化学家通力合作,因应打印机的发展,开发能与新设备一起使用以达至最佳效果的合适材料。

以FP-TPL系统打印出来的银纳米牛,以庆牛年。图中白线代表一微米,即一毫米的千分之一

陈教授说:「对研究人员而言,最重要的是确立真正要处理的问题。这问题应是值得研究、最终能找到解决之法的。」

对致力物料制造的研究人员来说,要解决的问题就聚焦在精细度、速率和成本上。他说:「一种方法就能够同时解决这三个问题,实是罕有。当这方法奏效时,就是翻天覆地之日。」他补充说:「制造业其实是一切创新的基础。」

这样的研发项目不是一朝一夕之事,他于2014年开始研究纳米打印机,花了五年,项目才成熟到制作原型,再用上两年时间改进。

陈教授说:「当研究停滞不前时,我们不仅要说服自己,相信自己的想法总会行得通,还要提出解决方案,同时筹集足够的资金继续下去。这对我个人和学生们都是极佳的训练。」

中译/Alison Tsang
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