10纳米真三维制造：UCSB引入最先进2PP系统，覆盖量子、生物、微流控五大学科前沿

最近加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）拿到了一笔115万美元的资助，来自美国国家科学基金会（NSF），用来采购一台能打印纳米级3D结构的设备。
这套系统基于双光子光刻技术（2PP），分辨率能达到10纳米。
该设备将扩展大学纳米制造设施（校内称为「Nanofab」）的能力。

以前我们说的3D打印其实就是一层一层堆起来，但2PP可以直接造出真正三维的复杂形状，不受平面约束。
传统光刻技术只能将图案转移到仅几百纳米厚的薄膜上，在垂直维度几乎没有构建空间；早期增材制造系统也只是通过堆叠非常薄、缺乏真正深度的层来制造物体。
而新系统直接在芯片上以真正三维的方式打印微结构。
提案中写道：「该系统的独特能力为纳米和微制造复杂结构及器件开辟了新途径，这些结构不再受几何形状限制，也不局限于二维平面。」

说到底，项目由电气与计算机工程教授Galan Moody牵头，还有四位合作研究员一起参与。
他们要给学校引进一台号称全美最先进的快速纳米打印系统之一。
Moody表示，「在美国，只有少数几所大学拥有具备这些能力的工具。」
四位共同首席研究员包括生物工程系的Marley Dewey、物理系的Andrew Jayich、机械工程系的Sumita Pennathur以及物理系的Andrea Young。

坦率地讲，Moody解释说虽然校外有商业代工厂能做纳米级光刻，但没有任何一家能在纳米级分辨率下造出复杂3D结构，同时还能保证快速原型制造需要的速度。
所以说，这台新系统正好补上了这个缺口。
研究团队认为，现有纳米制造工具已经达到极限——它们能以约十纳米的分辨率实现晶圆级半导体、电介质和金属的制造，但仅限于平面（本质上是二维）几何结构；要创建日益重要的3D微结构，需要额外复杂且耗时的步骤。

你想想看，这台打印机将用在五个完全不同的研究方向上。
Moody自己打算用它开发光子芯片，用来做量子纠缠分布和量子网络。
一个具体应用是量子光子学中光从芯片进入光纤时的损耗难题——该系统可以在芯片边缘或光纤上打印一个宽度不到50微米的聚合物透镜，从而塑造光学模式，使光从一个介质耦合到另一个介质时损耗最小。
物理学家Andrew Jayich要做光学钟里的3D离子阱，有些复杂结构之前找代工厂根本做不出来，因为速度太慢。
生物工程教授Marley Dewey想打印一些图案化的生物材料支架，用来研究骨骼修复，还有珊瑚再生。
化学工程师Sumita Pennathur计划制造芯片上的微流控通道，用于治疗性植入物系统。
物理学家Andrea Young则要做一个可以装在原子力显微镜上的纳米SQUID（超导量子干涉器件），用于表征先进材料。

也就是说，除了研究，Moody还很重视人才培养。
培训对象不光有UCSB的研究生，还有当地社区学院的学生。
他们有个项目叫CC-PRIME，全称是中央海岸区域微纳技术行业教育合作计划，由加州纳米系统研究所运营，基地在圣塔芭芭拉城市学院。
Moody说，如果学生拿到了认证，就说明完成了那些集训营课程，那他们就会成为公司的宝贵资产。
这可能会让一些学生觉得，自己也能做，然后直接去就业。
所以说，这个计划直接跟区域科技公司对接，目标就是建一支不一定要有高级学位、但能参与尖端制造工作的微纳技术劳动力队伍。

说到底，2PP一直以来都被看作是最精确的增材制造工艺，但之前能用它的地方很少，就那么几家专业设施和商业供应商。
大多数做纳米级研究的大学研究人员只能依赖校外代工厂，这些代工厂虽然分辨率能做上去，但造不出下一代量子光子学、微流控和生物医学设备需要的真正复杂的3D形状。
所以说，UCSB拿到的这笔资助直接解决了这个问题。
现在，2PP在学术界用得越来越多了。

你想想看，维也纳工业大学、加州理工学院和亚琛工业大学的研究人员，跟一家叫UpNano的材料公司合作，第一次对2PP做出来的块体试样做了标准化的机械测试。
那结果会怎样呢？研究人员觉得这是把2PP推向工业应用的关键一步。
另外，伯明翰大学和南昆士兰大学的研究人员用2PP做了带侧通道的微针，用来递送药物。
弗莱堡大学的一个团队和一家叫Nanoscribe的公司合作，以亚微米分辨率做出了表面粗糙度只有6纳米的玻璃二氧化硅微结构。

所以呢，随着2PP从商业代工厂进入大学实验室，能不能拿到设备已经不是问题了，关键是用它来造什么。
UCSB用横跨五个学科的方式，正好证明了这一点。