שיפור טכנולוגי דרמטי ביצירת רכיבים אופטיים מדויקים בטכניון

חוקרים הדפיסו רכיבים באמצעות מדפסת תלת-ממדית סטנדרטית ושיקעו אותם בתוך נוזל

כתב העת היוקרתי Nature Communications מדווח על שיפור טכנולוגי דרמטי ביצירת רכיבים אופטיים מדויקים: הדפסת הרכיבים באמצעות מדפסת תלת-ממדית סטנדרטית ושיקועם בתוך נוזל. את הפיתוח הובילו הדוקטורנטית רעות אורנג’-קדם וד”ר יואב שכטמן מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.

ייצור רכיבים אופטיים מדויקים הוא אתגר טכנולוגי-מדעי שהשלכותיו משתרעות על פני תחומים מדעיים ויישומיים רבים ובהם מיקרוסקופיה, טלסקופיה, חקר חומרים ודימות רפואי. האתגר גדול במיוחד בייצור רכיבים זעירים הדורשים ייצור ודיוק בסקאלת הננו (מיליונית המילימטר). שיטות הייצור הקונבנציונליות של רכיבים אלה מסובכות מאוד, יקרות, ארוכות ומצריכות תנאי סביבה נוקשים (חדרים נקיים), ולעיתים הן מוגבלות לייצור צורות מסוימות בלבד.

חוקרי הטכניון פיתחו שיטת ייצור חדשה המאפשרת לא רק לייצר רכיבים אופטיים יעילים ומדויקים, אלא אף להתגבר על מגבלות עקרוניות בשיטות ייצור מקובלות. כל זה מבוצע במדפסת תלת-ממד סטנדרטית, והתוצאה: הרכיבים נעשים זולים בכמה סדרי גודל ונפתחת אפשרות לייצר רכיבים בצורות שלא היו אפשריות עד כה, ובעתיד אף רכיבים שמעולם לא יוצרו.

ה”טריק” שפיתחו ד”ר שכטמן ורעות אורנג’-קדם הוא שיקוע של הרכיב האופטי בתוך נוזל ייעודי, מהלך הגורם לרכיב האופטי להיראות גדול פי 1,000. “טריק” זה מבוסס על בחירה של נוזל המותאם לרכיב במונחים של מקדם שבירת האור – גודל המתאר את מהירות האור בתוך החומר. הנוזל הייעודי נבחר כך שמקדם השבירה שלו קרוב מאוד למקדם השבירה של הרכיב האופטי, ובכך כוחו האופטי “מוחלש” בכמה סדרי גודל ביחס לכוחו באוויר. עובדה זו מצריכה הגדלה של הרכיב האופטי כדי שימלא את מטרתו. יתרון השיטה הוא בכך שחסינות הרכיב האופטי לשגיאות ייצור גדלה גם היא, וכך מתאפשרת הדפסת הרכיב כולו במדפסת תלת-ממד סטנדרטית (למעשה מודפסת תבנית שלתוכה יוצקים פולימר שקוף שמהווה את הרכיב עצמו). החוקרים מסבירים כי הדבר דומה להתאמה האבולוציונית של עין הדג ששונה מבחינה אופטית מעין האדם, בין השאר עקב הצורך שלה לתפקד בסביבה אחת (מים) שבה מקדם השבירה קרוב למקדם השבירה של העין, בשונה מהמצב באוויר.

כדי לבחון את ישימות הטכנולוגיה ערכו החוקרים צילום של חלקיקים ושל תרביות תאים וכך הדגימו את יעילותה בדימות של רכיבים דוממים וחיים בתלת-ממד. הטכנולוגיה, לדבריהם, עשויה להיות רלוונטית למגוון רחב של יישומים ובהם עיבוד לייזר, תקשורת, מיקרוסקופיה מדויקת וייצור של התקנים סולריים ורכיבים אלקטרוניים (ליתוגרפיה). יתר על כן, הטכנולוגיה החדשה גמישה מאוד ואפשר להתאימה לתנאי ניסוי ולתנאי סביבה משתנים.

ד”ר יואב שכטמן הוא חבר בפקולטה להנדסה ביו-רפואית ובמכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה (RBNI) ובמרכז הבין תחומי למדעי החיים וההנדסה ע”ש לורי לוקיי, ורעות אורנג’-קדם היא סטודנטית לדוקטורט בהנחייתו. המחקר הנוכחי נתמך על ידי מענק ERC (תוכנית Horizon 2020), קרן צוקרמן ורשות החדשנות.

למאמר בכתב העת המדעי Nature Communications לחצו כאן

לתמונות לחצו כאן

בתמונות:

1. ד”ר יואב שכטמן
2. רעות אורנג’-קדם
3. בתמונה השמאלית ובתמונה התחתונה מימין – הרכיב האופטי שיוצר בעזרת תבנית שהודפסה במדפסת תלת-ממד מסחרית. מימין למעלה – הרכיב האופטי ממוקם בתוך מיכל כדי להתאים לו נוזל בעל מקדם שבירה מתאים.