Công nghệ siêu nhỏ hướng đến tương lai

Máy in 3D cỡ đồng xu

Nhóm nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Texas tại Austin (UT Austin) đã có bước tiến lớn trong việc biến ý tưởng này thành hiện thực bằng cách trình diễn máy in 3D đầu tiên dựa trên chip. Thiết bị chứng minh khái niệm của họ bao gồm một chip quang tử đơn lẻ, có kích thước milimet, phát ra các chùm ánh sáng có thể định hình lại vào một giếng nhựa - nơi nhựa sẽ đông cứng thành hình dạng rắn khi có ánh sáng chiếu vào.

Chip nguyên mẫu không có bộ phận chuyển động, thay vào đó dựa vào một mảng ăng-ten quang học nhỏ điều khiển chùm sáng chiếu lên nhựa lỏng được thiết kế để đông cứng nhanh khi tiếp xúc với bước sóng ánh sáng khả kiến của chùm sáng. Bằng cách kết hợp photonic silicon và quang hóa học, nhóm nghiên cứu liên ngành chứng minh một con chip có thể điều khiển chùm sáng in 3D các mẫu hai chiều tùy ý. Hình dạng được hình thành hoàn chỉnh chỉ trong vài giây.

Loại máy in 3D di động này có nhiều ứng dụng - chẳng hạn như cho phép bác sĩ lâm sàng tạo ra mọi thành phần thiết bị y tế theo yêu cầu hoặc cho phép kỹ sư tạo nguyên mẫu nhanh chóng tại công trường. Jelena Notaros, giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính (EECS) của MIT, cho biết: “Hệ thống này đang hoàn toàn tái định nghĩa máy in 3D là gì. Nó không còn là một chiếc hộp lớn đặt trên băng ghế trong phòng thí nghiệm để tạo ra vật thể nữa, mà là thứ gì đó cầm tay và di động. Thật thú vị khi nghĩ về những ứng dụng mới có thể xuất hiện từ đây và lĩnh vực in 3D có thể thay đổi như thế nào”.

Nhóm Notaros trước đây đã phát triển hệ thống mảng quang học tích hợp điều khiển các chùm ánh sáng bằng cách sử dụng một loạt ăng-ten vi mô được chế tạo trên một con chip bằng quy trình sản xuất chất bán dẫn. Bằng cách tăng tốc hoặc trì hoãn tín hiệu quang ở hai bên của dãy ăng-ten, họ có thể di chuyển chùm ánh sáng phát ra theo một hướng nhất định. Những hệ thống như vậy là chìa khóa cho các cảm biến lidar, giúp lập bản đồ môi trường xung quanh bằng cách phát ra các chùm ánh sáng hồng ngoại bật ra khỏi vật thể ở gần. Gần đây, nhóm tập trung vào những hệ thống phát ra và điều khiển ánh sáng khả kiến cho các ứng dụng thực tế tăng cường.

Sabrina Corsetti, tác giả chính và nghiên cứu sinh EECS, bình luận: “Với nhựa quang hóa, rất khó để làm cho chúng đông cứng hoàn toàn ở bước sóng hồng ngoại, đây là nơi mà hệ thống mảng pha quang học tích hợp đã hoạt động trong quá khứ đối với lidar. Ở đây, chúng ta đang gặp nhau ở giữa quang hóa học tiêu chuẩn và quang tử silicon bằng cách sử dụng nhựa quang hóa bằng ánh sáng khả kiến và chip phát sáng khả kiến để tạo ra máy in 3D dựa trên chip này. Bạn có sự kết hợp của hai công nghệ này thành một ý tưởng hoàn toàn mới”. Nguyên mẫu của họ bao gồm một chip quang tử duy nhất chứa một dãy ăng-ten quang dày 160 nanomet. (Một tờ giấy dày khoảng 100.000 nanomet.) Toàn bộ con chip vừa khít với một đồng 25 xu Mỹ.

Khi được cung cấp năng lượng bởi tia laser ngoài chip, mạng ăng-ten phát ra một chùm ánh sáng khả kiến điều khiển được vào giếng nhựa quang hóa. Con chip nằm bên dưới một phiến kính trong suốt, giống như những phiến kính được sử dụng trong kính hiển vi, có một vết lõm nông giữ nhựa. Nhóm nhà nghiên cứu sử dụng tín hiệu điện điều khiển phi cơ học chùm sáng, khiến nhựa đông cứng ở bất cứ nơi nào chùm sáng chiếu vào.

Nhưng việc điều chế hiệu quả ánh sáng có bước sóng khả kiến, bao gồm việc thay đổi biên độ và pha của nó, lại đặc biệt khó khăn. Một phương pháp phổ biến là làm nóng chip, nhưng phương pháp này không hiệu quả và chiếm nhiều không gian vật lý. Thay vào đó, nhóm nhà nghiên cứu sử dụng tinh thể lỏng để tạo ra các bộ điều biến nhỏ gọn mà họ tích hợp vào chip. Đặc tính quang học độc đáo của vật liệu cho phép bộ điều biến cực kỳ hiệu quả và chỉ dài khoảng 20 micron. Một ống dẫn sóng duy nhất trên chip giữ ánh sáng từ tia laser ngoài chip. Chạy dọc theo ống dẫn sóng là những vòi nhỏ truyền một ít ánh sáng đến từng ăng-ten.

Nhóm nhà nghiên cứu tích cực điều chỉnh các bộ điều biến bằng cách sử dụng điện trường, giúp định hướng lại phân tử tinh thể lỏng theo một hướng nhất định. Bằng cách này, họ kiểm soát chính xác biên độ và pha của ánh sáng truyền tới ăng-ten. Nhưng việc tạo hình và điều khiển chùm tia chỉ là một nửa của vấn đề. Việc kết nối với một loại nhựa quang hóa mới là một thách thức hoàn toàn khác.

Nhóm tại UT Austin đã hợp tác chặt chẽ với Nhóm Notaros tại MIT, cẩn thận điều chỉnh các hỗn hợp hóa chất và nồng độ để tạo ra một công thức có thời hạn sử dụng dài và đóng rắn nhanh. Cuối cùng, nhóm sử dụng nguyên mẫu của mình để in 3D các hình dạng hai chiều tùy ý chỉ trong vài giây. Dựa trên nguyên mẫu này, họ muốn hướng tới phát triển một hệ thống giống như hệ thống mà họ đã hình thành ban đầu - một con chip phát ra ảnh ba chiều của ánh sáng khả kiến trong giếng nhựa cho phép in 3D thể tích chỉ trong một bước.

Chế tạo siêu laser Titanium-Sapphire… bỏ túi

Chỉ bằng một bước nhảy vọt từ máy tính để bàn lên kích thước vi mô, nhóm kỹ sư tại Đại học Stanford sản xuất ra tia laser titan-sapphire trên chip đầu tiên trên thế giới. Nhóm nhà nghiên cứu phát triển một loại laser titan-sapphire có kích thước chip nhỏ hơn đáng kể và rẻ hơn so với các mô hình truyền thống, giúp nó ứng dụng rộng rãi hơn trong quang học lượng tử, khoa học thần kinh và nhiều lĩnh vực khác. Công nghệ mới này dự kiến sẽ cho phép các phòng thí nghiệm có hàng trăm loại laser mạnh mẽ này trên một con chip duy nhất, được cung cấp năng lượng bởi một con trỏ laser màu xanh lá cây đơn giản.

Khi nói đến laser, những loại được làm bằng Titanium-sapphire (gọi là Ti:sapphire) được coi là có hiệu suất “vô song”. Chúng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực - bao gồm quang học lượng tử tiên tiến, quang phổ học và khoa học thần kinh. Nhưng hiệu suất đó có giá rất đắt. Laser Ti:sapphire có kích thước lớn, thể tích theo thứ tự mét khối. Chúng đắt tiền - mỗi chiếc có giá hàng trăm nghìn USD - và cần laser công suất cao. Bản thân chúng có giá 30.000 USD mỗi chiếc, để cung cấp đủ năng lượng cho chúng hoạt động. Kết quả là, laser Ti:sapphire chưa bao giờ đạt được sự chấp nhận rộng rãi, thực tế mà chúng xứng đáng có - cho đến bây giờ. Trong một bước nhảy vọt về quy mô, hiệu quả và chi phí, nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford chế tạo laser Ti:sapphire trên một con chip. Nguyên mẫu nhỏ hơn bốn cấp độ (10.000 lần) và rẻ hơn ba cấp độ (1.000 lần) so với bất kỳ laser Ti:sapphire nào từng được sản xuất.

Jelena Vuckovic, Giáo sư Kỹ thuật Điện và là thành viên Khoa Vật lý Ứng dụng tại Đại học Stanford, giới thiệu:  “Đây là một sự thay đổi hoàn toàn so với mô hình cũ. Thay vì một tia laser lớn và đắt tiền, bất kỳ phòng thí nghiệm nào cũng sớm có hàng trăm tia laser có giá trị này trên một con chip duy nhất. Và bạn có thể cung cấp năng lượng cho tất cả bằng một con trỏ laser màu xanh lá cây”. Về mặt kỹ thuật, tia laser Ti:sapphire có giá trị như vậy vì chúng có “băng thông khuếch đại” lớn nhất trong bất kỳ tinh thể laser nào. Nói một cách đơn giản, băng thông khuếch đại được hiểu là dải màu rộng hơn mà tia laser có thể tạo ra so với các tia laser khác. Nó cũng cực nhanh. Các xung ánh sáng phát ra sau mỗi một phần nghìn tỷ giây. Nhưng laser Ti:sapphire cũng khó kiếm. Ngay cả phòng thí nghiệm của Vuckovic, nơi thực hiện loạt thí nghiệm quang học lượng tử tiên tiến, cũng chỉ có một vài loại laser quý giá này để chia sẻ.

Laser Ti:sapphire mới vừa khít với một con chip được đo bằng milimét vuông. Nếu nhóm nhà nghiên cứu sản xuất hàng loạt chúng trên các tấm wafer, có khả năng hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn laser Ti:sapphire có thể được nén trên một đĩa vừa vặn trong lòng bàn tay con người. Joshua Yang, một ứng viên tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Jelena Vuckovic, lưu ý: “Chip nhẹ. Có thể di chuyển. Giá thành rẻ và hiệu quả. Không có bộ phận chuyển động. Và có thể sản xuất hàng loạt. Còn gì không thích nữa? Điều này dân chủ hóa tia laser Ti:sapphire”.

Để tạo ra tia laser mới, nhóm nhà nghiên cứu bắt đầu với một lớp Titanium-sapphire lớn trên một nền tảng silicon dioxide (SiO2), tất cả đều nằm trên tinh thể sapphire thật. Sau đó, họ mài, khắc và đánh bóng Ti:sapphire thành một lớp cực mỏng - chỉ dày vài trăm nanomet. Vào lớp mỏng đó, họ sau đó tạo hoa văn một xoáy nước gồm nhiều gờ nhỏ. Những gờ này giống như cáp quang, dẫn ánh sáng xung quanh và xung quanh, tăng dần cường độ. Trên thực tế, hoa văn này được gọi là ống dẫn sóng. Mảnh ghép còn lại của câu đố là một bộ phận sưởi ấm siêu nhỏ có chức năng làm ấm ánh sáng truyền qua chuỗi ống dẫn sóng, cho phép nhóm Vuckovic thay đổi bước sóng của ánh sáng phát ra để điều chỉnh màu sắc của ánh sáng ở bất kỳ mức nào trong khoảng từ 700 đến 1.000 nanomet - từ màu đỏ đến hồng ngoại.

Trong vật lý lượng tử, tia laser mới cung cấp một giải pháp không tốn kém và thiết thực có thể thu nhỏ đáng kể máy tính lượng tử hiện đại. Trong khoa học thần kinh, nhóm nhà nghiên cứu thấy trước ứng dụng ngay lập tức trong quang di truyền học - một lĩnh vực cho phép nhà khoa học kiểm soát các tế bào thần kinh bằng ánh sáng được dẫn hướng bên trong não bằng sợi quang tương đối cồng kềnh. Họ cho biết, tia laser quy mô nhỏ được tích hợp vào đầu dò nhỏ gọn hơn, mở ra những hướng thử nghiệm mới. Trong nhãn khoa, nó có thể tìm thấy ứng dụng mới cùng với khuếch đại xung chirped giành giải Nobel trong phẫu thuật bằng laser hoặc cung cấp công nghệ chụp cắt lớp quang học nhỏ gọn hơn, ít tốn kém hơn được sử dụng để đánh giá sức khỏe võng mạc.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đang hoàn thiện laser Ti:sapphire quy mô chip và tìm cách sản xuất hàng loạt - hàng nghìn chiếc cùng một lúc, trên các tấm wafer.