פריצת דרך של חוקרי הטכניון: טכנולוגיה חדשנית זולה ומהירה ליצירת עדשות אופטיות מורכבות באמצעות נוזלים
טכנולוגיה מקורית שפותחה בטכניון מאפשרת לייצר רכיבים אופטיים מורכבים ומדויקים במהירות
מימין לשמאל : מור אלגריסי, פרופ’ מורן ברקוביץ ועומר לוריה
טכנולוגיה מקורית שפותחה בטכניון מאפשרת לייצר רכיבים אופטיים מורכבים ומדויקים במהירות וללא צורך ביציקה ובליטוש. המאמר שהתפרסם בכתב העת Optica מתאר כיצד פולימר נוזלי הנמצא בתוך סביבה נוזלית מיוחדת מתעצב לצורות מורכבות על ידי הכוחות הפיזיקליים הפועלים עליו. לאחר שהפולימר מקבל את צורתו הסופית הוא מוקשח באמצעות קרינת UV והופך לעדשה מוצקה.
הממציאים, חוקרים בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, מעריכים כי הטכנולוגיה החדשה תקדם ייצור מהיר של רכיבים אופטיים מורכבים על פי דרישה למגוון יישומים ובהם משקפיים ועדשות מגע, מערכות של מציאות מדומה ורבודה, דימות פנורמי, מיקוד קרינת שמש, כלי רכב אוטונומיים, מכשירי דימות רפואי, מיקרוסקופייה וטלסקופייה.
את המאמר הובילו מור אלגריסי, סטודנט לדוקטורט במעבדה של פרופ’ מורן ברקוביץ’, וד“ר ולרי פרומקין שהחל את פרויקט עיצוב הנוזלים בהיותו פוסט-דוקטורנט במעבדת ברקוביץ’ (כעת הוא פוסט-דוקטורנט ב MIT). הרעיון שבבסיס הטכנולוגיה עלה כשד”ר פרומקין ופרופ’ ברקוביץ’ נחשפו לדו”ח של הפורום הכלכלי העולמי, שם נטען כי ל-2.5 מיליארד בני אדם אין כיום גישה למשקפי ראייה, בעיקר במדינות מתפתחות שאינן מצוידות בתשתיות הדרושות לייצור אופטיקה, אולם מהר מאוד התברר להם שעזרי ראייה הם רק אחד היישומים הפוטנציאליים של ההמצאה.
“הטכנולוגיה שלנו צפויה לצמצם באופן דרמטי הן את זמן הייצור של רכיבים אופטיים מורכבים והן את מחירם,” אומר עומר לוריה, מהנדס מחקר במעבדה, שהיה שותף לכתיבת המאמר המדעי. “הטכנולוגיה שפיתחנו מאפשרת יצירה מהירה של עדשות חלקות במיוחד, בטופוגרפיות מורכבות וייחודיות, וזאת ללא צורך ביציקה ובליטוש ולא בציוד מתוחכם. בניגוד לשיטות ייצור אחרות כגון הדפסת תלת-ממד, זמן הייצור נותר קצר גם כשנפח הרכיב המבוקש גדל.”
ד”ר ולרי פרומקין
רוב העדשות האופטיות המוכרות לנו הן כדוריות או כדוריות בקירוב, אולם התקדמות המדע, הטכנולוגיה והרפואה מצריכה עדשות מורכבות יותר וסימטריות פחות. יצירתן של עדשות כאלה היא תהליך ממושך ויקר בשל הציוד הייעודי הנדרש לתהליך היציקה ולליטוש פני השטח. טכנולוגיות כגון חריטה וליתוגרפיה אומנם מאפשרות יצירה של עדשות מורכבות, אולם הן מוגבלות בגודל התוצר. טכנולוגיה רלוונטית נוספת היא הדפסת תלת-ממד, אולם מאחר שהיא מבוססת על הדפסת שכבות היא אינה מספקת את פני השטח הנדרשים להתקנים אופטיים מתקדמים. יתר על כן, משך ההדפסה גדל ככל שנפח הרכיב גדל.
הטכנולוגיה החדשנית שפיתחו חוקרי הטכניון שונה לגמרי ומבוססת כאמור על עיצוב של פולימר נוזלי בתוך נוזל אחר. אחד האתגרים הגדולים בגישה זו נובע מכך שעבור אופטיקה הגדולה מקוטר של כ-2 מילימטרים, כוח הכבידה מאפיל בעוצמתו על כוחות פני השטח, והתוצאה היא השטחה של חלקה העליון של העדשה במצבה הנוזלי. בעיה זו נפתרה על ידי החוקרים באמצעות התאמת מאפייניהם של הפולימר ושל הנוזל ההיקפי כך שכוח הציפה יקזז את כוח הכבידה.
בשיטה שפיתחו חוקרי הטכניון מוזרק הפולימר הנוזלי לתוך הנוזל הראשוני ומתעצב בתוכו בהשפעת יחסי הגומלין בין מתח הפנים של הנוזלים, הכוחות ההידרוסטטיים הפועלים עליהם וכוח הכבידה, זאת בסיוע מסגרת קשיחה המתחמת את היקף הפולימר הנוזלי. כאשר הפולימר מגיע לצורתו הסופי מופעלת עליו קרינת UV המקשיחה אותו והופכת אותו לעדשה מוצקה.
אחרי שהשתמשו בשיטה החדשה ליצירת עדשות כדוריות פשוטות הדגימו החוקרים את יעילותה בייצור רכיבים אופטיים בעלי גאומטריה מורכבת המכונה Freeform optics. במאמר ב-Optica הם מראים כי העדשות המתקבלות מאופיינות באיכות פני שטח הדומה לזו של עדשות המעובדות בטכנולוגיות הליטוש הטובות ביותר הקיימות כיום. במאמר הם מציגים “רמת חיספוס” של פחות מ-1 ננומטר, המושגת בתהליך מהיר ופשוט.
לדברי פרופ’ ברקוביץ’, “השיטה שלנו מאפשרת לייצר רכיבים בטווח עצום של גדלים וצורות מכל נוזל שאפשר להקשיחו, ויש כאן גם ערך סביבתי – זה תהליך שאינו מייצר פסולת.”
תהליך ייצור העדשה
החוקרים מעריכים כי בנוסף לייצור עדשות קשיחות תשמש הטכנולוגיה החדשנית גם ליצירת עדשות נוזליות, כלומר עדשות שישמשו כרכיבים אופטיים במצבן הנוזלי. כך תושג דינמיות של העדשה, שכן אפשר יהיה לשנותה על פי צורך באמצעות הזרקת פולימר נוזלי נוסף או בשינוי צפיפות הנוזל הראשוני שבתוכו נוצרת העדשה.