[科学美图]搞微雕,真正的高手在实验室里 | 科学人 | 果壳网 科技有意思

显微照片所能展示的，并不仅仅是自然形成的精妙结构。在材料工程界，科学家和工程师们也在微观世界不断挑战着精细加工的极限。这些打破“最小”记录的微小加工制品不仅吸引眼球，它们也体现着材料科学与技术的进步。

最细的琴弦

图片来源：D. Carr and H. Craighead, Cornell

虽然并不能用于演奏，但这把吉他绝对是世上最小的，它全长约为10微米，只有一个细胞那么大。这把吉他的六根弦只有50纳米宽（这相当于约100个原子排在一起的宽度），而如果用原子力显微镜的探针拨动，它们甚至可以产生震动（不过，它的振动频率靠人耳无法听到）。

制作这把吉他的，是康奈尔大学应用和工程物理学教授哈罗德·克雷格海德（Harold G. Craighead），以及他的学生达斯汀·卡尔（Dustin W. Carr）。制作这把吉他，首先需要制备薄层单晶硅和二氧化硅组成的复合基板，然后用高压电子束在其表面雕刻出吉他的形状，再用化学法腐蚀掉二氧化硅基底就可以了。

除了欣赏，这件作品看起来确实没有什么别的作用，但它背后的技术——高压电子束的调制光刻和微小机械运动的激光束干涉测量——则非常重要。当人们需要测量微小的受力，或者制造精细的纳米级部件时，就会从这些技术中收益。

层叠马桶

这些年，3D打印技术已经走入寻常百姓家中，而在纳米尺度下，类似的技术也已经出现。借助计算机辅助设计的支持，兵库县立大学和NEC联合实验项目的研究者采用逐层沉积的方法制造了世界最小的马桶。他们利用3D-CAD软件给真实的马桶建立模型，再把它逐层拆解，然后根据模型数据逐层沉积，制成了这个迷你马桶。

高速打印

图片来源：tuwien.ac.at

在纳米世界里，3D打印也同样面临着耗时的问题。而奥利地维也纳科技大学的研究者发明了一种名为“双光子光刻技术”的快速纳米3D打印技术，采用这种技术制作出上图中285微米长的迷你F1赛车，只需要4分钟时间，这相比以前的沉积式纳米打印技术快了500~1000倍。打印是“逐条”完成的，这个超迷你赛车由大约100层组成，每一层中又有200条打印结构。这种3D打印以一种液态树脂为原料，并通过激光束来完成固化。引发固化反应的分子只有在一次吸收了两个光子时才会被“激活”，这也就是这种技术名字的由来。只要控制激光束的焦点，就可以让固化反应在所需的位置发生。除了赛车，用它制作复杂的建筑模型同样不在话下：

图片来源：tuwien.ac.at

需要格外指出的是，这种双光子光刻技术不仅仅只有速度快这一优点。它使用的红外激光光源对生物组织几乎完全无害，并且打印原料树脂只会在光束几纳米宽的聚焦点上发生固化。因此这种技术在生物医学领域可以有更广阔的应用前景，例如可以构建结构精细的细胞“支架”。

显微镜下“堆”雪人

图片来源：npl.co.uk

这个纳米雪人只有10微米宽，相当于头发宽度的五分之一，它是2009年时英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）的研究者们为庆祝圣诞节而创作的。

为了能够更好的测量样品的微观形态和对微纳尺度下的物体进行改造，科学家们给他们用的各种显微镜添加了好多神奇的附件，比如一把离子枪和一把焊枪。在制作微型雪人时就用到了这些装备。

雪人的头和身体是两颗锡质的小珠，研究者们在原子力显微镜下用离子束沉积附件将它们用铂金焊在了一起，还给小锡珠焊上了一个鼻子。随后，他们还用聚焦离子束枪在雪人的头上打出了3个凹坑，分别作为眼睛和嘴巴。当然，拍摄这个照片用的还是扫描电子显微镜，科学家们很有情调地给黑白的电镜照片加上了清爽的蓝色。

纳米车床

图片来源：Toshiaki Fujii, and Takashi Kaito

很多零件的加工都离不开车床，将待加工的物体固定在旋转的轴上，再配合上各种专用刀具，就可以完成内外圆加工、钻孔、车螺纹等加工工序。而在微观世界中，将车床加工的范围缩小到纳米尺度也一样是可以做到的，只不过这次要用高能粒子束来替代刀具。

从纳米雪人的身上，我们已经可以领略到聚焦离子束对材料表面的破坏作用。而这一次，日本SII纳米科技的工程师又将这种破坏利用到了极致，他们利用聚焦离子束作为车刀，将一个精密转轮顶端的物料（碳）加工成了高脚酒杯的形状。这个酒杯的“肚子”宽度为2.7微米，纤细的“腿”直径只有0.4微米，表面相当光滑匀称。想给这个酒杯斟满可不是件容易的事情——要知道，一滴水的直径通常就有几毫米了。

图片来源：Toshiaki Fujii, and Takashi Kaito

夹住你

图片来源：Toshiaki Fujii, and Takashi Kaito

通过上述技术，人们可以在纳米尺度的微观世界中加工各种各样的零件，而将它们组装到一起，就有希望制造出功能完整的微型机器。在这张图中展示的就是日本工程师们制造的一款用于纳米装配的镊子。它不仅可以夹持着微纳器件做三维运动，还可以进行旋转从而进行更加复杂和精巧的装配。有了这些技术，我们离建立“纳米工厂”、探索和改造微观世界的理想也更近了一步。（编辑：窗敲雨）

参考资料：

http://www.news.cornell.edu/stories/1997/07/worlds-smallest-silicon-mechanical-devices-are-made-cornell

http://www.npl.co.uk/educate-explore/nano-snowman/

http://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/7435/

http://www.bbc.com/news/technology-17357374

http://journals.cambridge.org/action/displayFulltext?type=1&fid=326472&jid=MAM&volumeId=11&issueId=S02&aid=326471