在瑞士國家科學(xué)基金會(huì)的支持下，研究人員發(fā)明了一項(xiàng)雕刻材料的新技術(shù)，用來構(gòu)建微機(jī)械系統(tǒng)。其中最特別的部分，就是他們利用人造單晶金剛石生產(chǎn)出了一種極其微小的手表部件。

        金剛石質(zhì)地堅(jiān)硬，韌度十足，有很好的導(dǎo)熱性，并且高度透明，因此是很多機(jī)械設(shè)備和光學(xué)裝置的理想材料。但同時(shí)，要將金剛石進(jìn)行微米級(jí)（千分之一毫米）的精確切割又十分具有挑戰(zhàn)性。在瑞士國家科學(xué)基金會(huì)的資助下，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Neils Quack教授和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新的方法，可以從人造單晶金剛石上雕刻出一個(gè)微機(jī)械手表系統(tǒng)，即一只直徑三毫米的擒縱輪和擒縱叉。

擒縱輪，人造金剛石制，寬3mm。

        “反應(yīng)離子刻蝕”技術(shù)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這一技術(shù)作了改善，成功地將人造金剛石刻蝕成0.15毫米厚的三維形狀，比現(xiàn)存最厚的結(jié)構(gòu)厚三倍?！拔覀冋谥饾u靠近手表行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)厚度，也就是0.2毫米。”Quack說道，“這項(xiàng)技術(shù)引起了行業(yè)內(nèi)關(guān)注，目前我們正在和一個(gè)瑞士手表公司洽談。我們認(rèn)為金剛石可以減少摩擦，增加動(dòng)力儲(chǔ)存，即延長手表需要再次上發(fā)條的時(shí)間。不過這還只是個(gè)有待證實(shí)的假設(shè)?！痹谥票順I(yè)，金剛石還有其他的優(yōu)點(diǎn)：它具有透明度，可以進(jìn)行上色，此外，金剛石的無磁性也正是當(dāng)前市場高度追捧的屬性。

鑷子尖端一個(gè)直徑0.75mm的金剛石擒縱輪，下為一硅晶片，裝配過程中作為支架。

一只單晶人造金剛石制的手表部件擒縱叉。

工業(yè)專利

        之前，由于離子（帶電原子）在電場加速時(shí)，不僅移動(dòng)了選定位置的金剛石焊層，還侵蝕了規(guī)定目標(biāo)形狀的膜層，“反應(yīng)離子刻蝕”技術(shù)只能產(chǎn)生厚度為0.05毫米的結(jié)構(gòu)。因此，所得結(jié)構(gòu)的厚度受到膜層抗力和厚度的限制。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院微電子學(xué)研究所一位名叫Adrien Toros的科研助手在不到半年時(shí)間內(nèi)，發(fā)明了一種雙層膜，這種膜由一層鋁和一層二氧化硅構(gòu)成，鋁層能很好地吸附金剛石，其外的二氧化硅層較厚，更能抵抗離子反應(yīng)的影響。該項(xiàng)技術(shù)能加快刻蝕過程，實(shí)現(xiàn)幾近垂直的深入切割。

        在Innosuisse（此前為CTI）的支持下，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃同瑞士的人造金剛石生產(chǎn)商Lake Diamond合作，此前他們已經(jīng)共同申請(qǐng)了一項(xiàng)專利。該公司的首席執(zhí)行官Pascal Gallo透露：“在中期我們將利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行微米級(jí)部件的精準(zhǔn)生產(chǎn)和商業(yè)化，從而擴(kuò)大我們的制造領(lǐng)域?！?/p>

        此外還有另一個(gè)項(xiàng)目也在實(shí)施中，研究人員正在努力從超純金剛石中制作光學(xué)元件，例如，熱成像過程中能在紅外光譜中進(jìn)行操作的透鏡，以及工業(yè)切割所使用的激光器件等。

        Niels Quack說：“2015年我開始這項(xiàng)研究時(shí)，從未設(shè)想過這些工業(yè)應(yīng)用。但是多虧了Gebert Rüf Stiftung基金會(huì)的支持，讓我們很快看到了項(xiàng)目的大好前景，然后成功地將其發(fā)展成實(shí)用的工業(yè)應(yīng)用。于我而言，這完美地證明了基礎(chǔ)研究經(jīng)常會(huì)帶來一些意想不到的應(yīng)用，這對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來說十分具有吸引力。保持思維開放太重要了！”

        這項(xiàng)研究在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院進(jìn)行，受瑞士國家科學(xué)基金會(huì)的SNSF Professorship支持（這項(xiàng)基金計(jì)劃現(xiàn)已改為SNSF Eccellenza Professorial Fellowhips）。同時(shí)該項(xiàng)目也受到Gebert Rüf Stiftung基金會(huì)和位于伊韋爾東的Lake Diamond公司的支持，后者提供了人造單晶金剛石。該公司的首席執(zhí)行官Pascal Gallo是論文的合著者。這些部件在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的微納米技術(shù)中心進(jìn)行了裝配。