Блог компании ua-hosting.company. Некоторые технологии, которые стали крайне популярные в последние годы, кажутся нам детищем современной науки. Однако многие из них зародились еще несколько десятков лет тому назад и лишь спустя долгий и тернистый путь совершенствования достигли того вида и функционала, который нам знаком. Вышесказанное отлично описывает аддитивные технологии, которые появились еще в 80-ых, но тогда их функционал и механизм работы сильно отличался от современных.

Возможность создавать с помощью 3D-принтера практически любой предмет из практически любого материала сделала это устройство не только популярной игрушкой, но и важным инструментом для ученых из самых разных отраслей науки, от инженерии до медицины. Но 3D-принтеры, как и любая другая технология, продолжают развиваться, а ученые ищут все новые и новые пути сделать их еще более эффективными и расширить спектр их применения.

Так ученые из Общества научных исследований имени Макса Планка (Мюнхен, Германия) решили объединить акустику и аддитивные технологии, создав принтер, способный печатать трехмерные объекты посредством звуковых волн. Какой принцип работы нового устройства, что делают звуковые волны, и насколько эффективна данная методика? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

До появления аддитивных технологий основным методом изготовления какого-либо объекта являлось удаление лишнего материала с заготовки. Ярким примером тому может быть вырезание из куска дерева какой-то фигурки. Аддитивные технологии предложили это процесс обернуть вспять, т. е. изготавливать объект путем послойного добавления материала.

Суть в том, что и удаление, и добавление материала это поэтапный процесс, требующий времени. Нельзя просто нажать кнопку и получить готовый отпечатанный предмет за мгновение ока, т. е. в один этап. Или все-таки можно?

Концепция одноэтапного (или моментального) производства (one-shot fabrication) циркулирует в научном сообществе уже какое-то время. Реализация этой концепции требует, чтобы трехмерная форма объекта определялась подходящим распределением интенсивности генерируемого светового поля, например, фотоинициируемой реакцией полимеризации. Однако формировать оптические поля моментально в компактном трехмерном объеме с помощью общедоступных устройств и пространственных модуляторов света весьма затруднительно. Под компактными трехмерными полями подразумеваются поля, которые демонстрируют размеры будущих объектов в одинаковых масштабах длины во всех трех измерениях. Для проецируемого изображения достижимое боковое разрешение масштабируется как 1/NA, а осевое разрешение — как 1/NA2, где NA — числовая апертура (numerical aperture). Таким образом, для создания компактных трехмерных голографических изображений оптимальное рабочее расстояние должно составлять примерно половину диаметра апертуры, чтобы числовая апертура ≈ 1. Но такие показатели пока возможны только для микроскопических объемов.

Примеры оптической компьютерной голографии (CGH от computer-generated holography) при больших размерностях имеют соответственно меньший NA, а полученные изображения вытянуты на несколько порядков в направлении распространения луча, что ограничивает их использование для изготовления компактных объектов. Предлагаемые решения этой проблемы до сих пор основаны на нелинейной активации фотоинициатора.

Одним из многообещающих подходов является последовательное освещение вращающейся камеры под разными углами для получения проекционной томографии. В этом случае необходимо, чтобы химический сшиватель активировался только тогда, когда накопленная световая энергия превысит определенный порог.

Альтернативный подход, называемый ксолографией, основан на двухфотонном возбуждении с разными длинами волн и, следовательно, позволяет реализовать разделение на два луча: один освещает плоскость со сфокусированным световым полотном, а второй проецирует соответствующее поперечное сечение объекта на эту плоскость. Поскольку необходимы обе длины волны возбуждения, реакция полимеризации одновременно инициируется только в одной плоскости. Проще говоря, оба вышеописанных метода все еще остаются поэтапными, а не одноэтапными.

Альтернативой свету в данном случае может быть звук, а точнее звуковые поля, которые создают акустические силы для сборки объекта. Этот подход имеет явное преимущество, заключающееся в непосредственном манипулировании целевым материалом, таким как частицы или даже клетки. Кроме того, применение ультразвука при определенных интенсивностях является цитосовместимым и не требует использования химических добавок, таких как фотоинициаторы.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый метод моментальной (одноэтапной) трехмерной сборки материи в произвольные формы с использованием ультразвука путем объединения нескольких акустических голограмм.