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位于斯圖加特的馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所(Max Planck Institute for Intelligent Systems for Stuttgart)的科學(xué)家們利用3D打印技術(shù)，用具有納米尺寸特征和卓越聚焦能力的聚合材料制造了x射線透鏡。這項(xiàng)新技術(shù)使他們能夠在一分鐘內(nèi)制造出每一個(gè)具有極好的x射線光學(xué)特性的透鏡，從而降低了原型制作和制造的成本。科學(xué)家們?yōu)樗麄兊陌l(fā)明申請(qǐng)了專利。

概述制造方法，顯微照片由掃描電子顯微鏡成像。

X射線顯微鏡是獨(dú)特地結(jié)合納米尺寸分辨率和大穿透深度的成像工具。 X射線顯微鏡或XRM是唯一能夠以高分辨率研究埋藏特征的技術(shù)，例如，它允許您在不破壞計(jì)算機(jī)中央處理單元的情況下查看其中的缺陷，使微機(jī)械在工作條件下可見，并研究自然環(huán)境中細(xì)胞的細(xì)胞器。

然而，聚焦x射線需要具有極具挑戰(zhàn)性的納米幾何圖形的光學(xué)。由于其復(fù)雜的納米制造方法，一個(gè)鏡頭的成本高達(dá)數(shù)萬(wàn)歐元。

位于斯圖加特的馬克斯·普朗克智能系統(tǒng)研究所的現(xiàn)代磁系統(tǒng)和物理智能部門合作，找到了一種新的、成本更低的方法來(lái)制作3D運(yùn)動(dòng)模型，這種聚合透鏡能夠有效地聚焦x射線。在非理想的近似模式下制作運(yùn)動(dòng)成形需要復(fù)雜的多步制造過(guò)程。這就是3D打印發(fā)揮作用的地方。他們發(fā)現(xiàn)飛秒雙光子三維納米刻蝕是制造這種衍射x射線光學(xué)的最佳方法。

“我們使用飛秒脈沖紅外(IR)激光器和一種光刻膠，可以通過(guò)同時(shí)吸收多個(gè)紅外光子進(jìn)行聚合，寫出比光波長(zhǎng)還小的結(jié)構(gòu)，”Umut T. Sanli解釋說(shuō)，他是現(xiàn)代磁系統(tǒng)系微納米光學(xué)組的博士生。“通過(guò)這種方式，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的x射線透鏡幾何結(jié)構(gòu)，具有納米大小的特征和非常高的聚焦效率，”他繼續(xù)說(shuō)。初步結(jié)果表明，采用直接軟X射線成像和ptychography的3D打印動(dòng)作形態(tài)顯示出卓越的性能，效率高達(dá)20%。

由于輻射損傷，XRMs的x射線光學(xué)器件幾乎每年都需要更換。因此，尋找一種高產(chǎn)高效的x射線透鏡生產(chǎn)工藝是非常重要的。

“選擇合適的材料是制造過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵部分，”卡拉曼·凱森博拉博士解釋說(shuō)，他是微納米集團(tuán)的負(fù)責(zé)人。他和他的團(tuán)隊(duì)選擇了雙光子聚合(2PP)聚合物來(lái)制造x射線透鏡。

“我們意識(shí)到，這種2pp聚合物具有非常有利的x射線光學(xué)性質(zhì)，只能與鈹(一種劇毒元素)和非常昂貴的鉆石相媲美。”此外，鈹和鉆石都很難在納米杯上形成所需的三維輪廓。“有了這項(xiàng)新發(fā)明，3D打印晶狀體的時(shí)間不到一分鐘，因此，x光鏡片的原型制作和制造成本大大降低。”此外，聚合物鏡片的制造是安全的，一旦經(jīng)過(guò)優(yōu)化，制造就很簡(jiǎn)單了。

3D納米打印技術(shù)在新型先進(jìn)理念和新型x射線光學(xué)中的應(yīng)用。

“我們把一些鏡頭串聯(lián)在一起，向前邁進(jìn)了一步。通過(guò)集成各種光學(xué)器件，可以有效地控制和操縱x射線波前。幾個(gè)鏡頭和其他波前整形元件一個(gè)接一個(gè)地放置，我們可以優(yōu)化這些集成x射線光學(xué)，甚至是非常硬的x射線能量范圍，”Keskinbora說(shuō)。“因此，有很多新的研究場(chǎng)所可供效仿。”

在普朗克-創(chuàng)新的幫助下，研究人員為他們的發(fā)明申請(qǐng)了專利。