Lazerinio mikroapdirbimo technologijos: nuo kuro purkštukų iki stiklinių mikrolaboratorijų

Lietuvoje kuriami unikalūs ultraspartūs, femtosekundinės trukmės šviesos impulsus generuojantys lazeriai plačiai naudojami visame pasaulyje: nuo Europos medicinos, automobilių pramonės iki Japonijos mikroelektronikos įmonių. Juos, žinoma, vertina ir viso pasaulio mokslininkai lazerininkai.
Viena iš femtosekundinio lazerio panaudojimo sričių yra lazerinis mikroapdirbimas. Pasitelkus jį galima sumažinti automobilio kuro sąnaudas, palengvinti medicininių stentų gamybą, optimizuoti pramonės procesus. Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Lazerinių tyrimų centro mokslininko doc. dr. Domo Paipulo teigimu, taikant lazerinį mikroapdirbimą jau įmanoma sukurti net tokias mikrolaboratorijas stikle, kuriose bandoma imituoti realių žmogaus organų, pavyzdžiui, smegenų kraujagyslių, veikimą.

Prilygsta kelių atominių elektrinių galiai

Femtosekundiniu lazeriu galima apdirbti kone visas medžiagas. Net ir labai tvirtos bei skaidrios medžiagos, tokios kaip stiklas ar deimantas, negali atsilaikyti prieš šio lazerio spinduliuotę.
„Lazeris yra šviesa, tad skaidrų stiklą jis turėtų pereiti kiaurai. Čia ir pasireiškia femtosekundinio lazerio unikalumas. Nors vidutinė šio lazerio galia yra kaip elektros lemputės, bet momentinė galia prilygsta kelioms atominėms elektrinėms, veikiančioms vienu metu. Tad esant didžiuliam momentiniam šviesos kiekiui ir vykstant netiesiniams procesams šviesa su didžiule jėga skverbiasi per stiklą ir šis ima ją sugerti. Taip sukuriamos sąlygos, kai visos medžiagos tampa neskaidrios“, – pasakoja mokslininkas.
Lazerinio mikroapdirbimo technologija šiandien vis plačiau naudojama elektronikos prietaisų, automobilių pramonėje ir medicinoje.
„Nemaža dalis mūsų mobiliųjų telefonų turi gorilla glass ekraną, pagamintą iš labai tvirto grūdinto stiklo. Grūdintas stiklas pasižymi tuo, kad dūžio metu jis ne nuskeliamas, bet subyra į smulkias dalis. Tokį stiklą gaminant pirmiausia didelis stiklo lakštas grūdinamas, o tada pjaustomas reikalingo dydžio ir formos dalimis. Bet kaip tą grūdintą stiklą supjaustyti? Čia susiduriama su stiklo skilimo problema, kurią padeda išspręsti femtosekundiniai lazeriai. Naudojant tam tikrus algoritmus, galima sukurti tinkamas sąlygas stiklui pjaustyti. Tad lietuviški femtosekundiniai lazeriai yra naudojami Kinijoje, Pietų Korėjoje ir kitose šalyse, kur veikia didžiausi telefonų gamintojai“, – apie lazerių galimybes pasakoja doc. D. Paipulas.

Lazerinis mikroapdirbimas – kuro sąnaudoms mažinti

Dar viena dažna lazerinio mikroapdirbimo taikymo sritis – automobilių pramonė. Tenkinant vis didesnius aplinkosauginius reikalavimus, labai svarbu mažinti kuro sąnaudas ir didinti variklio efektyvumą. „Tradiciškai į automobilio variklį kuras patenka sumaišytas su oru – šią maišymo funkciją atlieka visiems gerai žinomas karbiuratorius, degų oro ir kuro mišinį įpurškiantis į variklio cilindrą. Tačiau naujuosiuose automobiliuose karbiuratorius jau retas svečias, nes kuro maišymas su oru mažina variklio efektyvumą. Viskas būtų efektyviau, jei kuras tiesiogiai patektų į sistemą. Bet paprastai įlašinti benzino negalima, nes jį pirmiausia reikia paversti rūku, sudarytu iš tam tikro dydžio mikrolašelių. Būtent čia į pagalbą ir ateina femtosekundiniai lazeriai, nes jais galima kuro purkštukuose suformuoti reikiamo dydžio ir formos skyles, per kurias tekėdamas kuras ir virsta rūku. Įrodyta, kad tokios įpurškimo sistemos yra iki 30 proc. efektyvesnės, o tai reiškia, jog automobilis nuvažiuoja toliau su mažesnėmis kuro sąnaudomis“, – teigia mokslininkas.
Femtosekundiniai lazeriai naudojami ir medicinoje, kur jais pjaustomi stentai. Stentas – tai mažas, panašus į tinklelį išplečiamas vamzdelis, kuris arterijoje veikia kaip atrama ir padeda išlaikyti arteriją atvirą. „Toks stentas turi būti pagamintas iš tvirtos medžiagos, turėti atitinkamą formą. Svarbus ir jo biosuderinamumas, kad laikui bėgant nedegraduotų ir netaptų organizmo užkratu. Tokie stentai gali būti gaminami būtent dėl femtosekundinių lazerių“, – tvirtina doc. dr. D. Paipulas.

Lietuvių išrasta technologija taikoma pasaulyje

Lazerinis mikroapdirbimas labai svarbus ir kuriant trimačius objektus, ypač skaidriose medžiagose. Yra du pagrindiniai tokio apdirbimo būdai – subtraktyvusis ir adityvusis.
„Subtraktyvus apdirbimas – toks, kai medžiaga yra apipjaustoma iki reikiamos formos, kaip kad skulptorius iš granito iškala skulptūrą. Šalia to, naudojant tuos pačius lazerius, galimas ir adityvus mikroapdirbimas, kitaip dar vadinamas lazeriniu rašymu. Šiuo atveju lazeriu ne pjaunama, bet formuojami tūriniai objektai, tarsi iš molio lipdant kokį dirbinį. Šis adityvus procesas polimerinėse medžiagose dar vadinamas nanopolimerizacija“, – skirtingus mikroapdirbimo būdus pristato doc. D. Paipulas.
Abu šie metodai pradėti naudoti Japonijoje apie 2000 m. Kuriant vieną iš jų nemažai prisidėjo tuo metu ten dirbę lietuvių mokslininkai.
„Subtraktyviojo trimačio stiklų mikroapdirbimo technologija yra glaudžiai susijusi su tuo metu Japonijoje, Tokušimos universitete, dirbusiais lietuviais – prof. Sauliumi Juodkaziu ir dr. Andriumi Marcinkevičiumi. Šią technologiją autoriai pristatė gana kukliame straipsnyje, tarsi tai būtų mažai reikšminga mokslinė įdomybė. Šiandien tai yra labiausiai cituojamas šių mokslininkų straipsnis, o jame aprašytas principas naudojamas visame pasaulyje“, – pasakoja lazerininkas.

Stikle imituojama organų veikla

„Naudojant trimates skaidrių medžiagų mikroapdirbimo femtosekundiniais lazeriais technologijas, galima formuoti mikrolaboratorijas stikluose. Pavyzdžiui, paveikus tam tikrą stiklo vietą intensyvia lazerio spinduliuote, stiklo savybes galima pakeisti – jį modifikuoti. Šios modifikacijos gali būti ištirpintos rūgštyse, taip sudarant įvairias ertmes, iš kurių formuojami mikrokanalai skysčiams tekėti ir kitokios paskirties mikrolaboratorijos komponentai“, – pasakoja doc. D. Paipulas.
„Laboratorija viename luste“ (angl. Lab-on-chip) yra dažniausiai naudojama biomedicinoje. Vienu pagrindinių šios technologijos privalumų yra tai, kad su labai mažu tiriamo reagento kiekiu galima atlikti daug testų, procesas pasidaro spartus, o tai leidžia greitai kurti naujus vaistus ir juos iškart bandyti, įvertinti jų efektyvumą, parinkti tinkamas dozes. Dabartinės pandemijos metu ši savybė yra kaip niekad aktuali.
Laboratorijos viename luste technologija šiuo metu plėtojama visame pasaulyje, tad jau įmanoma sukurti tokius lustus, kuriuose bandoma imituoti organo su svarbiausiomis jo funkcijomis veikimą (1 pav.).

„Pasitelkus šią technologiją stikle galima suformuoti, pavyzdžiui, smegenų kraujagyslės su mikroporomis imitaciją ir taip sukurti dirbtinį kraujo–smegenų barjero modelį. Toks mūsų smegenų kraujagyslėse egzistuojantis barjeras reguliuoja, kurios medžiagos gali patekti į smegenis, o kurioms kelias turi būti užkertamas. Šis dirbtinis „organas“ gali pagelbėti bandant suprasti, kaip veikia smegenys, ir tyrinėti, kaip vaistai keliauja per šį barjerą“, – veikimo principą pristato mokslininkas.

Mažiausias pasaulyje alkoholio detektorius

Laboratoriją viename luste galima kurti ne tik taikant subtraktyvųjų mikroapdirbimą – darant mikrokanalus, bet ir jungiant jį su adityviuoju – kanalus užpildant mikrometrinių matmenų objektais (2 pav.).

„Jungti abu lazerinio mikroapdirbimo būdus pirmieji sumanė Japonijos mokslininkai. Šį metodą jie vadina ,,laivu butelyje“ (ang. Ship in a bottle). Pirmosios demonstracijos buvo skirtos tiesiog metodui pristatyti, bet greitai pasipylė ir praktiniai, nors dar tik konceptualūs, taikymai: pradėti kurti specifiniai filtrai, skirti mažiausioms dalelėms filtruoti, suformuotas lęšiukas, leidžiantis ląsteles stebėti be galingo mikroskopo“, – pasakoja doc. D. Paipulas.
Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkai šį metodą naudoja medžiagoms detektuoti. „Šiuo metu tiriame, kaip išspausdinti polimeriniai gaminiai reaguoja įdėti į skirtingus tirpiklius: etanolį, vandenį, acetoną ir kitus. Priklausomai nuo medžiagos, iš kurios buvo pagaminti, vieni gaminiai susitraukia, o kiti išbrinksta. Tokias medžiagas, kurios reaguoja į aplinkos poveikį, vadiname „išmaniosiomis medžiagomis“, – paaiškina mokslininkas. Šioje srityje mokslinius tyrimus atlieka ir Japonijoje dirbantis profesorius Vygantas Mizeikis kartu su Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro mokslininke dr. Sima Rekštyte. Jie sukūrė mažiausią pasaulyje analoginį alkoholio detektorių – mikrorodyklę, kuri pasisuka priklausomai nuo vandenyje esančio etanolio kiekio (3 pav.).

Mikroapdirbimo technologijos – pramonės procesams optimizuoti

Vis labiau tobulinami femtosekundiniai lazeriai pamažu randa savo vietą ne tik moksliniuose tyrimuose, bet ir pramonėje.
„Prieš 10–15 metų femtosekundiniai lazeriai buvo naudojami tik laboratorijose, nes jų valdymas buvo įkandamas tik ten dirbantiems mokslininkams, o ir gedimai buvo gana dažnas reiškinys. Tad natūralu, kad į tokias sistemas pramonė žiūrėjo nepatikliai, o tie, kurie surizikuodavo, galėdavo likti skaudžiai nusivylę: na ir kas, kad apdirbimo technologija veikia be priekaištų, jei pats lazeris ilgesnį laiką būna remontuojamas, o ne prie staklių. Šiandien situacija yra pasikeitusi kardinaliai, femtosekundiniai lazeriai jau yra patikimesni, juos daug lengviau naudoti, tad pamažu didėja ir jų populiarumas. Daugelis pramonės atstovų šią technologiją tarsi atranda iš naujo, o be to, jos pritaikomumas labai sparčiai auga“, – pabrėžia doc. D. Paipulas.
Femtosekundinių lazerių galia metams bėgant vis didėja, jų kaina mažėja ir tai leidžia daugelį mikroapdirbimo technologijų procesų paspartinti, optimizuoti ir daryti juos patrauklius industriniams taikymams.
„Dirbdami su vienais geriausių pasaulio lazerių specialistų ir turėdami reikalingų žinių, mes galime pasiūlyti metodus ir sukurti gaminius, palengvinančius ir optimizuojančius gamybos procesus. Tik tam reikalinga sinergija su galutiniais vartotojais, kurių įžvalgos padėtų aiškiau suprasti praktinio taikymo galimybes“, – teigia doc. D. Paipulas.