Наука за 1 доллар: обычный 3D-принтер научили печатать оптику, которая работает не хуже микроскопов за сотни тысяч

Исследователи показали, что сложная оптика не обязательно требует заводского производства и дорогостоящего оборудования. Для получения изображений со сверхвысоким разрешением достаточно обычного 3D-принтера и набора доступных расходных материалов. Себестоимость одной такой линзы оказывается ниже 1 доллара, а по возможностям она подходит для задач, которые раньше ассоциировались исключительно с профессиональными лабораториями.

Работа была сосредоточена на обходе дифракционного предела — физического ограничения, долгое время считавшегося непреодолимым для классической оптики. Новый метод основан на сочетании трехмерной печати, силиконового формования и прозрачной фотополимерной смолы с ультрафиолетовым отверждением. Такая комбинация позволила создавать многоэлементные линзы с заданными характеристиками, которые можно подстраивать под конкретные эксперименты.

На основе этих компонентов команда собрала мультифокальный микроскоп со структурированной подсветкой. Такая схема позволяет одновременно освещать образец в нескольких фокальных точках. Во время испытаний установка использовалась для изучения биологических объектов наноразмерного уровня. В частности, удалось рассмотреть микротрубочки внутри клеточного цитоскелета — структуры, играющей важную роль во внутренней организации клетки.

Пространственное разрешение системы составило около 150 нанометров. Этот результат находится на уровне коммерческих микроскопов со сверхразрешением, стоимость которых может достигать сотен тысяч долларов. При сравнении изображений заметной разницы между результатами, полученными с помощью напечатанных линз и промышленных стеклянных массивов, обнаружить не удалось.

Нынешняя работа продолжает более ранние эксперименты той же исследовательской группы, где уже демонстрировалось, что оптические элементы, напечатанные на бытовых 3D-принтерах, способны конкурировать с фабричными аналогами. Тогда эти детали легли в основу полностью напечатанного микроскопа. По мере роста точности настольных принтеров фокус исследований сместился от проверки идеи к применению таких линз в современных методах биологической визуализации.

Серьезным техническим препятствием оставалась работа с лазерным освещением. Послойная печать оставляет на поверхности микронеровности, которые усиливают рассеяние и дифракцию света, ухудшая картинку. Вместо длительной механической полировки ученые выбрали поэтапную доработку формы. Сначала оптический элемент проектировался в CAD-среде и печатался, после чего поверхность сглаживалась за счет добавления дополнительных слоев материала.

Доработанные элементы объединялись в массив миниатюрных линз, расположенных на одной стороне заготовки. Такой массив стал основой оптической части микроскопа и обеспечил работу сразу с несколькими фокусами. Затем для него изготавливалась силиконовая форма, которая заполнялась прозрачной фотополимерной смолой. Переход от печати к формованию позволил практически избавиться от искажений, характерных для исходных деталей.

Измерения поверхности показали, что полученные линзы по точности формы близки как к профессиональной оптике, так и к более доступным коммерческим решениям. Испытания в лабораторных условиях подтвердили, что такие массивы стабильно работают в реальных микроскопических системах и не уступают стеклянным аналогам.

Авторы считают, что этот подход открывает дорогу к созданию специализированных систем визуализации под конкретные научные и прикладные задачи. Используя недорогие принтеры и материалы, исследовательские группы и компании могут самостоятельно изготавливать нужные компоненты, не заказывая их у узкопрофильных производителей. Это снижает затраты, ускоряет разработку приборов и делает методы микроскопии сверхразрешения более доступными.