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在瑞士國家科學基金會的支持下，研究人員發明了一項雕刻材料的新技術，用來構建微機械系統。其中最特別的部分，就是他們利用人造單晶金剛石生產出了一種極其微小的手錶部件。
Image: Pixabay
金剛石質地堅硬，韌度十足，有很好的導熱性，並且高度透明，因此是很多機械設備和光學裝置的理想材料。但同時，要將金剛石進行微米級（千分之一毫米）的精確切割又十分具有挑戰性。在瑞士國家科學基金會的資助下，來自瑞士洛桑聯邦理工學院的Neils Quack教授和他的團隊發明了一種新的方法，可以從人造單晶金剛石上雕刻出一個微機械手錶系統，即一隻直徑三毫米的擒縱輪和擒縱叉。
擒縱輪，人造金剛石制，寬3mm。
「反應離子刻蝕」技術廣泛應用於計算機晶元領域，該團隊對這一技術作了改善，成功地將人造金剛石刻蝕成0.15毫米厚的三維形狀，比現存最厚的結構厚三倍。「我們正在逐漸靠近手錶行業的標準厚度，也就是0.2毫米。」Quack說道，「這項技術引起了行業內關注，目前我們正在和一個瑞士手錶公司洽談。我們認為金剛石可以減少摩擦，增加動力儲存，即延長手錶需要再次上發條的時間。不過這還只是個有待證實的假設。」在製表業，金剛石還有其他的優點：它具有透明度，可以進行上色，此外，金剛石的無磁性也正是當前市場高度追捧的屬性。
鑷子尖端一個直徑0.75mm的金剛石擒縱輪，下為一硅晶片，裝配過程中作為支架。
一隻單晶人造金剛石制的手錶部件擒縱叉。
工業專利
之前，由於離子（帶電原子）在電場加速時，不僅移動了選定位置的金剛石焊層，還侵蝕了規定目標形狀的膜層，「反應離子刻蝕」技術只能產生厚度為0.05毫米的結構。因此，所得結構的厚度受到膜層抗力和厚度的限制。瑞士洛桑聯邦理工學院微電子學研究所一位名叫Adrien Toros的科研助手在不到半年時間內，發明了一種雙層膜，這種膜由一層鋁和一層二氧化硅構成，鋁層能很好地吸附金剛石，其外的二氧化硅層較厚，更能抵抗離子反應的影響。該項技術能加快刻蝕過程，實現幾近垂直的深入切割。
在Innosuisse（此前為CTI）的支持下，該團隊計劃同瑞士的人造金剛石生產商Lake Diamond合作，此前他們已經共同申請了一項專利。該公司的首席執行官Pascal Gallo透露：「在中期我們將利用這項技術進行微米級部件的精準生產和商業化，從而擴大我們的製造領域。」
此外還有另一個項目也在實施中，研究人員正在努力從超純金剛石中製作光學元件，例如，熱成像過程中能在紅外光譜中進行操作的透鏡，以及工業切割所使用的激光器件等。
Niels Quack說：「2015年我開始這項研究時，從未設想過這些工業應用。但是多虧了Gebert Rüf Stiftung基金會的支持，讓我們很快看到了項目的大好前景，然後成功地將其發展成實用的工業應用。於我而言，這完美地證明了基礎研究經常會帶來一些意想不到的應用，這對於工業領域來說十分具有吸引力。保持思維開放太重要了！」
這項研究在瑞士洛桑聯邦理工學院進行，受瑞士國家科學基金會的SNSF Professorship支持（這項基金計劃現已改為SNSF Eccellenza Professorial Fellowhips）。同時該項目也受到Gebert Rüf Stiftung基金會和位於伊韋爾東的Lake Diamond公司的支持，後者提供了人造單晶金剛石。該公司的首席執行官Pascal Gallo是論文的合著者。這些部件在瑞士洛桑聯邦理工學院的微納米技術中心進行了裝配。
文章作者 | Niels Quack，洛桑聯邦理工學院微技術研究所
Diamond watch components
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