學術探奇

印出童話法寶

陳世祈發明納米打印機令隱形成真

(Eric Sin攝)

一種列印速度和精細程度都破紀錄的納米打印機橫空問世,甚至能打印出「隱形斗篷」來遮蔽物件。軍事人員和魔術師可要注意了。

由中大工程學院陳世祈教授研發的這款打印機,可以製造出能操控光的超材料表面,並能隨時排拒光線。薄如蟬翼的外罩可使戰鬥機甚至人的輪廓變得模糊不清,儼如穿上「魔法披風」,使物體無法被肉眼看到。

「我們可以像童話裏的角色穿上它。」陳教授笑着說:「只要用對解析度和材料,任何你想藏起來的東西都能無影無蹤。」

新打印機在三方面都是破紀錄的,其打印速度、精細程度和成本控制皆創高峰。該技術稱為FP-TPL,全名是飛秒鐳射投影技術。飛秒激光是脈衝激光的一種,它們不會發出連續的光,具有高功率,但平均用電量卻非常低。

與現有的納米打印機相比,陳教授的發明將生產成本降低了98%,生產率提高了一千至一萬倍,細緻度則達到140x175納米。

FP/TPL系統的光學裝置<em>(Eric Sin攝)</em>

陳教授正在為打印機申請專利,他的發明早已在2019年10月的《科學》期刊上作重點介紹。隨着進一步的改良,打印機可在不久將來把多種不同物料的精細度再提升5至10納米,這將令物理學家曾經預言但從未造出的新物件得以創製出來。

現有的雙光子打印技術是依賴掃描一連串點的過程,緩慢且昂貴。這種3D微型打印過程需要幾天的打印時間才能生產出少量的材料,只可滿足某些特殊藥品遞送機械人和容易產生化學反應的材料之要求,使用範圍有限。

陳教授指出:「以往需要幾小時才完成的列印,現在數秒即可,而不需犧牲精細度。傳統模式聲稱只可能在速度和精細度中二擇其一,而我們則實現皆可兼得。」

傳統的3D打印技術使用逐點掃描的方法,將激光聚焦到一個點上去製作物料。陳教授的設置改變了沿着激光束路徑的脈衝寬度,從而令有圖案的光片得以形成,於是可以一次過打印整張圖案片。

以石墨烯量子點打印而成的中大校徽,由聚焦顯微鏡拍攝。圖中白線長度代表二十微米,約為一根頭髮絲直徑三分一

這項技術稱為「並行處理」,精細度低一直為人詬病。陳教授團隊的靈感來自熒光顯微鏡中稱為「時間聚焦」的概念,透過形成纖薄的光片來覆蓋較大的範圍進行打印,而不僅僅是在細小的點上列印。

團隊用現成的數字微鏡設備代替傳統列印中使用的衍射光柵,該數字微鏡設備是「德州儀器」生產的一種芯片,在每個投映機和電影院中都能找到。該設備裏數百萬個微鏡可以各自面向兩個方向,意味着它們可以被編程為接受光或排拒光。這些微鏡起着電子「面具」的作用,使光可以隨意被編程,因此能夠打印出各式各樣的圖案片。

這些光片變得非常纖薄,厚度少於一微米,即是說精細度可以大大提高。FP-TPL系統還可以進行快速打印,因為它可以一次過打印整張光片,每秒鐘可打印一百至一千片,速度遠遠拋離點掃描打印,同時不會降低精細度。

陳教授在機械與自動化工程學系任教,他知道其團隊的強項在於研發光學系統和精密機器,即是硬件。他們必須與物料科學家和化學家通力合作,因應打印機的發展,開發能與新設備一起使用以達至最佳效果的合適材料。

以FP-TPL系統打印出來的銀納米牛,以慶牛年。圖中白線代表一微米,即一毫米的千分之一

陳教授說:「對研究人員而言,最重要的是確立真正要處理的問題。這問題應是值得研究、最終能找到解決之法的。」

對致力物料製造的研究人員來說,要解決的問題就聚焦在精細度、速率和成本上。他說:「一種方法就能夠同時解決這三個問題,實是罕有。當這方法奏效時,就是翻天覆地之日。」他補充說:「製造業其實是一切創新的基礎。」

這樣的研發項目不是一朝一夕之事,他於2014年開始研究納米打印機,花了五年,項目才成熟到製作原型,再用上兩年時間改進。

陳教授說:「當研究停滯不前時,我們不僅要說服自己,相信自己的想法總會行得通,還要提出解決方案,同時籌集足夠的資金繼續下去。這對我個人和學生們都是極佳的訓練。」

中譯/Alison Tsang
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納米打印機 飛秒鐳射投影技術 陳世祈 機械與自動化工程學系 工程學院