Laserska turbina i laserske pincete (radni naslov)

Laserska turbina i laserske pincete

Nau priu poeemo iz dve krajnosti. Da ne bude mnogo, jer i sam naslov sadri dve krajnosti. estoko smo poeli, zar ne? Stvar je u tome to je ono o emu priamo jo ee.

Prva krajnost (koja to moda i nije)

Toak je, svi to znamo, veoma star izum. Modeli prvih vozila sa tokovima, pronaeni u Maarskoj, datiraju iz 3200 godine p.n.e. Dakle pre 5200 godina. To naravno nije palo s neba ba tada nego je moralo i da se otkrije i usavri, tako da moramo dodati jo najmanje par stotina godina. Sa napretkom civilizacije toak kao koncept rotirajueg mehanikog elementa je disperzivno evoluirao kako po obliku tj. nainu primene, tako i po tehnologiji izrade. Kotrljajui leajevi, zupanici, rotori maina itd. Moemo rei da je tehnoloki pokazatelj napretka upravo mogunost izrade to manjeg toka. Sve do danas kada tzv. MEMS tehnologija omoguava izradu mikroskopskih rotora, zupanika (Sl.1) i sve ostalo od tokaste ''bratije'' da nema kud vie, hou rei manje.

Slika 1. Prenik spoljanjeg zupanika je 1 mm. Druga krajnost (koja to moda i jeste)

Znate one.... ''Zvezdane staze'' i sve druge SF filmove. Kao tamo, neka teleportacija i tek se u vazduhu stvori ispred vas ovek, iv ivcat, 'ma isti, pljunuti bre! Korak od toga je da u vazduhu ili tenosti laserskim zrakom polako stvarate vrst predmet.

E upravo to moe. Zamislite ne toak, nego pravu malu turbinu prenika 12,5 mikrona. Na njene lopatice je usmeren laserski snop. I ona se okree. Jo ''gore''. Turbina je proizvedena iz tenosti, od tenost, ako hoete. Ovde jo malo pa da bude ''to gore to bolje''. Ne verujete? Onda itajte dalje.

Kad te svetlost potera!

Pritisak svetlosti proizveden jako fokusiranim laserskim snopom moe se upotrebiti kao optike pincete da bi se ograniile, drale i pomerale mikroestice. Ova tehnika se iroko koristi u mikrobiologiji u istraivanjima na elijama, DNK molekulima kao i u mikrohemiji za manipulaciju mikrokapljicama i mikrokuglicama. Pored toga, mikroestice koje absorbuju svetlost ili ispoljavaju osobinu dvostrukog prelamanja mogu se lako zarotirati laserskim snopom koji ima ugaoni momenat (polarizaciju). Neki tipovi proizvedenih mikroobjekata stvaraju optiki momenat i lako se mogu dovesti u rotaciju fokusiranim laserskim snopom.

Na taj nain se ostvaruje upravljanje mikroobjektima u tenosti bez mehanikog kontakta a time i trenja, postiu ekstremno mali momenti reda veliine od samo 10-17 Nm.

Skoro svi takvi optiki rotatori i mikroestice nisi fiksirani i mogu se slobodno kretati u tenosti. S druge strane, pokretni delovi mikromaina nisu plivajueg tipa ve vrsto ogranieni (vezani za podlogu), kao to je zupanik fiksiran na osovinu. Bilo bi korisno da se ovo moe primeniti i kod slobodnih mikroestica kako bi se prevaziao uobiajni nedostatak da morate laserskim zrakom drati esticu sve vreme dok radite s njom. A tek potekoe vezane sa disperzijom mikroestica!

Slika 2. Trodimenzionalni mikromehanizam u obliku mikrozupanika koji pokree cirkularnop skenirajui fokusirani laserski snop.

Korienjem nove tehnike manipulisanja mikroobjektima pomou skenirajueg (upravljanog) laserskog snopa moe se izazvati eljeni oblik kretanja. Na primer, da bi se rotirao mikrozupanik prvo se fokusira laserski snop na jedan od zubaca. Zatim se laserski snop pone rotirati ali tako podeen da stalno ''gaa'' isti zubac ime se izazove rotacija zupanika. Ovaj princip je prikazan na Sl.2.

Ne mora samo rotiranje, moe i klaenje i klizanje. Na Sl.3 je prikaznan jedan mikromanipulator kod koga se moe izazvati zatvaranje ili otvaranje krakova delovanjem fokusiranog snopa na bonu stranu kraka. Tako se ovaj mikroalat moe zatvoriti ili otvoriti i tako obuhvatiti neki mikroobjekat koji ostaje vrsto u njegovom ''bratskom'' zagrljaju sve dok je to potrebno.

Pri svemu tome, pozicija i brzina pokretnih elemenata se moe vrlo precizno kontrolisati.

Slika 3. Mikromanipulatori pokretani i upravljani laserskim zrakom laserske pincete.

Kako ih napraviti ili dvofotonska mikrostereolitografija

Kome, bre, ti to, aaa?! Ma i ja tebi...! Teke rei, nema ta. Mislim na one u naslovu. Ali sa'u sve da ''ve'' objasnim.

Optiki pokretane mikromaine se prave tom tzv. mikrostereolitografskom tehnikom koja ukljuuje dvofotonsku polimerizaciju. E, ovaj ti je udan. Tek to pomisli da je prestao da ''pcuje'' tek evo ga opet. Ali ''nije sve tako crno'', pogotovu tamo gde postoje dva fotona. Pa to ti doe kao sijalica od 100 W. Elem, odnosno LM, u dvofotonskom procesu tena fotoovravajua smola simultano absorbuje dva skoro infracrvena (IC) fotona u jednom zahvatu (jedinstveni kvantni dogaaj) tako da njihova ekvivalentna energija odgovara jednom ultraljubiastom fotonu (duplo vee energije). Mogunost dvofotonske absorpcije je proporcionalna kvadratu intenziteta svetlosti, tako da se ova skoro IC svetlost jako apsorbuje samo u fokusnoj taki unutar tene smole. Pri tome, kvadratna zavisnost dvofotonske absorpcije doprinosi da ceo proces bude jo vie lokalizovan, sada na submikronski domen (Znate ono: 0.22=0.04).

Na osnovu ovog fenomena mogue je stvoriti trodimenzionalne strukture skeniranjem (pomeranjem) fokusa zraka unutar tene smole (polimera). Ovaj postupak proizvodnje mikrostruktura prvi put je demonstriran 1997. godine. Njime se moe napraviti mnogo toga: mikrocevi, mikroopruge, kristali. Sve je to, meutim, bilo vrsto vezano za podlogu. Pokretne mikrostrukture, poput zupanika i mikromanipulatora su dole neto kasnije (1999.-2001).

Slika 4. Prikaz postupka izrade mikrozupanika lokalnim ovravanjem (polimerizacijom) epoksidne smole pomou fokusiranog laserskog snopa. Levo je prikazana etapa solidifikacije osovine, koja se zavrava formiranjem graninika (sredina), dok se na kraju ne izradi i sam zupanik.

Kao izvor svetlosti u procesu proizvodnje koristi se laser sa safirom kao aktivnom materijom, koji zrai u impulsnom reimu na talasnoj duinini od 763 nm, sa frekvencijom ponavljanja od 82 MHz, gde trajanje impulsa iznosi 130 fs (femtosekundi podsetimo se da je s=10-6s, ns=10-9s, ps=10-12s, fs=10-15s). Pa ti sad vidi. Ovaj laserski zrak se uvodi u skenirajui sistem koji ga deflektuje po dve dimenzije, dakle u horizontalnoj ravni. Sistem je malo sloeniji pa emo njegov opis ostaviti za neku drugu priliku. Pomeranje fokusa po treoj dimenziji, vertikali, odvija se putem pomeranja cele platforme na kojoj se nalazi posudica sa tenom smolom (polimerom). Sistemom koji opisujemo dostignuta je rezolucija od 140 nm, koja tako prevazilazi difrakciona ogranienja. Posle stvaranja mikroobjekta ovim trodimenzionalnim procesom ostatak neovrsnute smole ispira se razreivaem ostavljajui pokretnu mikrostrukturu. Kao fotoovravajua smola koriena je epoksidna smola za ultaljubiastu mikrostereolitografiju.

Prema tome, kako se to moe i videti sa Sl.4, pomeranjem fokusa laserskog zraka po zapremini (providne) tenosti (smole) izaziva se njeno lokalno (takasto) ovravanje ime se, odgovarajuim pomeranjem fokusa po tri dimenzije, moe formirati objekat svakojakog oblika.

Prilikom izrade mora se uzeti u obzir i skupljanje ovrsnute smole tokom polimerizacije tako to se uvede korekcija u emu skeniranja laserskog snopa i time redukuje deformacija ovravajueg dela.

Etape procesa izrade mikrozupanika su prikazane na Sl.4. Prvo se stvara (ovruje) osovina i graninik tako to se fokus snopa pomera kruno za svaki sloj a postolje se sputa korak po korak po vertikali.

Da bi se sintetisao pokretni toak postolje se pomeri na visinu njegove pozicije i pone proces cirkularnog skeniranja laserskog snopa uz poveanje radijusa krune putanje. Da bi se izveli zupci zupanika ili lopatice turbine periodino se prekida snop otvaranjem i zatvararanjem optikog zatvaraa. Na Sl.5 se vidi fotografija mikroturbine snimljena pomou skenirajueg elektronskog mikroskopa, koja je proizvedena prethodno opisanim postupkom. Njen prenik je samo 12,5 m. Posle zavretka procesa ovravanja mikroturbina ostaje da lebdi u smoli i tek poto se ona ispere razreivaem padne na podlogu. itav proces izrade mikroturbine traje oko 13 minuta.

Slika 5. Mikroturbina (levo) i mikropincete (desno) proizvedene laserski kontrolisanim ovravanjem epoksidne smole.Zupanici proizvedeni ovim postupkom idu sa prenikom do ''itavih'' 6,3 mikrona.

Na Sl.5 je prikazan dvokraki mikromanipulator koji je proizveden na potpuno isti nain s tim to su kraci ostvareni laserskim snopom koji je skeniran po lukovima uz postepeno poveanje poluprenika. irina kraka je 1,7 mikrona a duina 8,7 mikrona. Kao to smo rekli, ovim mikromanipulatorom je mogue uhvatiti mikroobjekat okreuu krake levi i desno. U izvedenim opitima snaga lasera je bila 30 mW a brzina pomeranja 42 m/s.

Okreni je, obrni je ...

Poto su ovako izraene mikrostrukture transparantne za vidljivu i za blisku infracrvenu svetlost one se mogu pokretati i kontrolisati pomou tehnike skenirajueg laserskog snopa. To je i razlog zato za ovu svrhu nisu pogodni mikrosistemi nainjeni od polikristalnog silicijuma on jako apsorbuje svetlost iz oba naznaena spektralna opsega.

Kod pokretanja turbine, kao to se moe videti sa Sl.2, svetlosni snop se fokusira na krilce lopatice i silom koja potie od gradijenta svetlosnog polja ''zakai'' se za lopaticu. Krunim skeniranjem (okretanjem) snopa turbina se okree. Ostvarene su brzine od 4,6 o/min laserom snage 200 mW.

Prvobitno je momenat optikog mikrorotatora podeavan promenom snage lasera ali je povoljnije reenje preko menjanja pozicije delovanja laserskog snopa du kraka.

Jedna krajnost + druga krajnost = nema krajnosti

Prikazana i tehnologija i tehnika omoguavaju stvaranje irokog asortimana oblika mikrosistema, kao i najrazliitijih naina upravljanja takvim sistemima, sve prema konkretnoj potrebi. Fleksibilnost procesa proizvodnje omoguava upotrebu univerzalne maine kod koje se onda menja samo program koji upravlja kretanjem svetlosnog snopa. Nama ostaje, i pored ovog opisa i verodostojnih slika, neka pritajena neverica da sve to tako moe. A moe.

R. Babi