طباعة ثلاثية الأبعاد

ورقة تُترك على طاولة مبللة تتجعد وترتفع أطرافها. لا أحد يتحكم في هذه الحركة، لكنها تخضع لنفس القوانين التي تحكم نمو النبات: بعض مناطق الورقة تنكمش أكثر من غيرها، فيتحول الشكل المسطح إلى شكل مجسم. لطالما حلم المهندسون بترويض هذه العملية، بحيث تنطوي القطعة المسطحة وحدها إلى الشكل المطلوب. في العمل الجديد، نجحت هذه الحيلة بدقة تصل إلى واحد بالمئة.

لنقل شكل تمثال بأدق التفاصيل، يمكن تقسيمه إلى ملايين المكعبات الصغيرة ووصف كل منها — وهذا طويل وشاق، وتتفتت ذاكرة الحاسوب تحت الضغط. هكذا تُعالج عادةً الصور الطبية ثلاثية الأبعاد: التصوير المقطعي المحوسب أو الرنين المغناطيسي عبارة عن مصفوفة ضخمة من هذه المكعبات (فوكسلات)، ولكي تُنشئ الصورة أو تحسّنها، على الآلة أن تقلبها جميعًا.

صناعة مادة بخصائص محددة فن اعتمد طويلاً على الحدس والحظ. الطبيعة لا تعطي تلميحات: عشرات العناصر في الجدول الدوري، وعدد توليفاتها يمتد إلى ما لا نهاية. سابقاً، كان علماء المواد أشبه بالكيميائيين القدماء، يجربون كل شيء، أو يعتمدون على نماذج إحصائية تفقد قوتها خارج حدود المعلوم. لكن فيزيائيين من اليابان طوروا نموذجاً رقمياً من نوع مختلف: يحول البحث إلى عمل صانع عطور.

تدريب نموذج دقيق للديناميكا الهوائية يشبه فن الطهي: أولاً يتعلم الطاهي مئات الوصفات لاستيعاب المبادئ العامة، ثم يتقن بسهولة طبقاً معيناً. المهندسون صمموا AeroTransformer — بنية شبكة عصبية دُرِّبت على مجموعة بيانات ضخمة — و"أطعموها" 30 ألف شكل جناح مختلف، مجرة كاملة من أفكار الطهي مجرة.

الطباعة الحجرية الضوئية التقليدية، التي تُصنع بها الرقاقات، تصطدم بحد أساسي: الضوء لا يستطيع رسم تفاصيل أصغر من طول موجته. هنا سلكوا طريقًا مختلفًا. أولاً، صنعوا أضلاعًا عمودية متباعدة من الأكسيد، ثم بدأوا بترسيب طبقات من أكسيد الألومنيوم بسماكة ذرة واحدة. كل طبقة كانت تنمو أيضًا على جوانب الأضلاع، مما يضيّق الفجوات بينها — مثلما يتراكم الثلج على الأغصان ويغلق الفراغات تدريجيًا.

يقطع ضوء النجوم البعيدة ملايين السنين، لكن الأشعة السينية لا يمكن التقاطها بالزجاج العادي — فهي تخترقه كما تخترق الرصاصة الورق. لذلك تحتاج تلسكوبات الأشعة السينية إلى عدسات خاصة: أكوام من المنشورات الصغيرة التي تحرف الأشعة بانحراف لطيف وتجمعها في نقطة واحدة.

تُسخَّن قطعة من سبيكة الألمنيوم، فتروي بهدوء قصة متانتها. كل المطلوب هو الإنصات إلى هذه الرواية في طريقة امتصاص المعدن للحرارة. الطريقة المعتادة لمعرفة مدى متانة السبيكة هي شدّها حتى التمزق. وهذا يستغرق وقتًا طويلًا ويدمر العينة. أما في الدراسة الجديدة فسلكوا مسارًا مختلفًا: سجّلوا كيف تمتص السبيكة الحرارة أثناء التسخين، ثم سلّموا هذه التسجيلات إلى برنامج حاسوبي.

تضرب شعاع الليزر غشاءً من الذهب والفضة لبضع نانوثوانٍ فقط — خلال هذا الوقت يقطع الضوء مسافة أقل من متر. عند نقطة الاصطدام، يغلي المعدن ويتناثر ويتجمد في نمط عشوائي من جسيمات صغيرة. كل نمط من هذه الأنماط فريد مثل الشقوق على الجليد أو أغصان الأشجار. لا يمكن تكراره عمدًا: أدنى اهتزاز في الشعاع أو ذرة غبار تغيّر الصورة.

يَلتوي ذراع الأخطبوط ويمسك ويمتد — وكل ذلك دون عظمة واحدة. السر أن داخله تتناوب مناطق تنقبض ومناطق تبقى سلبية. حاول العلماء منذ زمن طويل تكرار هذه الحيلة في مواد اصطناعية، لكنهم لم يتمكنوا حتى الآن من تحديد بدقة كيف ستغير المادة شكلها. الآن اقترح الباحثون طباعة خيوط مرنة على طابعة ثلاثية الأبعاد من مادتين في آن واحد.

الجزء المعدني المنتج بطابعة ثلاثية الأبعاد لا يمكن تمييزه ظاهريًا عن الجزء المطروق. لكن عندما يقع عليه حمل، تتكشف قصة مختلفة تمامًا في الداخل. شعاع السنكروترون بالأشعة السينية يشبه مجهرًا يرى عبر الفولاذ ويُظهر ما يحدث عند طرف الشق تمامًا. في الفولاذ المطروق العادي، قبل أن يستمر الشق في التقدم، يصبح باهتًا.

الحشية المطاطية العادية تخمد الاهتزاز مثلما تخفف البطانية السميكة الصوت: كلما كانت أكثر سماكة ووزنًا، كان ذلك أفضل. لطالما حلم المهندسون بمادة تكون خفيفة، لكنها في الوقت نفسه "تبتلع" الاهتزازات بما لا يقل عن مخمد ضخم. في العمل الجديد، تمكنوا من تجميع مثل هذه المادة من جزأين مختلفين: شبكة مرنة ناعمة مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقطرات صغيرة من معدن سائل مخبأة بداخلها.

الطابعة ثلاثية الأبعاد العادية تبث البلاستيك مثلما يبث الحلواني الكريم من كيس التزيين. هنا، بدل البلاستيك، نستخدم الضوء. شعاع ليزر يرسم داخل راتينج سائل، فيجعله يتصلب في النقاط المطلوبة. هكذا تولد أجزاء لا يمكن رؤيتها بدون مجهر. حتى الآن، كانت هذه الطابعات تعمل ببطء: كان الشعاع يزحف على السطح مثل قلم على الورق. الآلة الجديدة تغير قواعد اللعبة. إنها تعرض صورة كاملة دفعة واحدة، مثل جهاز عرض في السينما.

في الرقاقات الإلكترونية، عادةً ما تكون الأسلاك ممددة على السطح، مثل القضبان على الأرض. لكن في بعض الأحيان، نحتاج إلى أن يقفز سلك فوق سلك آخر دون أن يلمسه. لهذا الغرض، تُبنى جسور هوائية — أقواس معدنية رفيعة معلقة فوق اللوحة. في السابق، كان بناء مثل هذا الجسر يتم على عدة مراحل: وضع طبقة، تعريضها للإشعاع، حفرها، ثم التكرار. كل مرحلة كانت فرصة لإفساد شيء ما. العمل الجديد يُظهر أن تمريرة واحدة لشعاع الإلكترون تكفي.

شعاع مصباح يدوي في الضباب يرسم مخروطًا، لكنه لا يستطيع نحت تمثال من سحابة. أما الهولوغرام فهو كالاستنسل للضوء: يعرف مسبقًا أين يتجمّع في نقاط مضيئة وأين يبقى ظلًّا. الآن هذا الاستنسل يجعل الراتنج السائل يتصلّب في كامل الحجم دفعة واحدة، دون طباعة طبقةً بطبقة. المشكلة أن الضوء في الراتنج يتشتّت، والتفاعل الكيميائي للتصلّب ينتشر كقطرة حبر على ورق مبلول.

طابعة لا تطبع بالحبر، بل بالمعادن والسيراميك — أصبحت حقيقة الآن. أخذ العلماء قطرة ماء عادية تحتوي على أملاح معدنية مذابة، وجعلوها ترسب على السطح تارة النحاس، وتارة أكسيد الزنك، وتارة هيدروكسيد النيكل. كل ذلك بدقة تصل إلى أجزاء من المليون من المتر. السر في الكهرباء. القطرة معلقة على طرف إبرة رفيعة، ويُمرر تيار ضعيف تحت السطح. تتحول أيونات المعدن من المحلول إلى مادة صلبة مباشرة عند نقطة التلامس.

الضوء، عند مروره عبر لوحة منقوشة، يتجمع داخل سائل شفاف ليشكل نمطاً حجمياً. حيث يكون الضوء أكثر سطوعاً، يتصلب الراتنج. بعد 7.5 ثانية، تُسحب القطعة النهائية من السائل — بتجاويفها وقنواتها ونتوءاتها الدقيقة. الطابعة ثلاثية الأبعاد التقليدية تطبع نقطة بنقطة أو طبقة بطبقة. هنا، المليون نقطة كلها تولد في نفس اللحظة — مثل صورة فوتوغرافية، لكن بشكل حجمي. السر يكمن في جزأين.