Complex, driedimensionale (3-D) structuren worden regelmatig geconstrueerd met behulp van een betrouwbare commerciële methode van 3-D laser micro- en nanoprinting. In een recente studie, Frederik Mayer en collega's in Duitsland en Australië hebben een nieuw systeem gepresenteerd waarin een microfluïdische kamer kan worden geïntegreerd op een laser-3D-lithografieapparaat om multimateriaalstructuren te construeren met behulp van meer dan één samenstellend materiaal. De nieuwe methode kan de bestaande noodzaak om over te schakelen tussen lithografietechnieken en chemielaboratoria elimineren voor een gestroomlijnd productieproces.

Als een proof-of-principle, de wetenschappers creëerden 3D-deterministische microgestructureerde beveiligingsfunctie-apparaten met behulp van zeven materialen. Deze omvatten (1) een niet-fluorescerende fotoresist (lichtgevoelig materiaal) om de backbone van het apparaat te bouwen, (2) twee fotoresists met verschillende fluorescerende kwantumdots, (3) nog twee fotoresists met verschillende fluorescerende kleurstoffen en (4) twee ontwikkelaars. 3D optische beveiligingsfuncties worden doorgaans vervaardigd door middel van meerstaps laserlithografie en chemische technieken.

Microstructuren voor dergelijke beveiligingsfuncties bevatten meestal een niet-fluorescerende 3D-cross-grid-steiger en ingebouwde fluorescerende markers die zijn gerealiseerd met halfgeleider-kwantumdots die naar believen op de steiger zijn gerangschikt om een ​​bericht te coderen. De resulterende microstructuur/beveiligingskenmerken kunnen worden gelezen met behulp van optische snijmethoden zoals 3-D confocale fluorescentie scanning microscopie. Het nieuwe systeem voorgesteld door Mayer et al. opent daarom een ​​deur om multimaterialen te engineeren in 3D-additieve fabricage op micro- en nanoschaal op een gecombineerde microfluïdische lithografie-opstelling.

3D-laserprinttechnologie of 3D-laser micro- en nanoprinten ontstond meer dan 20 jaar geleden en is nu wijdverbreid. Huidige toepassingen zijn alomtegenwoordig, van 3D-fotonische kristallen tot fotonische draadbindingen, 3D-geprinte vrije-vormoppervlakken, micro-optica voor 3D optische circuits en microspiegels. Toepassingen omvatten ook optische microlenssystemen op basis van 3D mechanische metamaterialen, 3D-beveiligingsfuncties, tot 3D-microsteigers voor celcultuur en 3D-geprinte micromachines. In de meeste gepubliceerde microstructuren, echter, wetenschappers gebruikten slechts één hoofdmateriaal om de 3D-architectuur te creëren, met opmerkelijke uitzonderingen in de recente literatuur.

Tijdens het ontwerpen, het is belangrijk om het chemische proces en de 3D-laserprinttechniek in dezelfde compacte tafelmachine te stroomlijnen om printen met meerdere materialen te realiseren. Momenteel, microfluïdische apparaten zijn ook commercieel goed geschikt om onderling verbonden systemen te ontwikkelen, aangezien volwassen componenten van de technologie direct beschikbaar zijn. Net zoals kabelcomponenten in een elektronisch systeem, de connectoren, stroom schakelaars, kleppen, stroomregelaars en schakelstroommatrices kunnen uit de winkel worden gekocht. Bij het construeren van de gecombineerde opstelling (microfluïdica en laserlithografie), Mayer et al. twee hoofdvragen beantwoord:

1. Kunnen alle processtappen worden uitgevoerd in het regime van laminaire stroming?
2. Kan een aantrekkelijk systeem met de gedefinieerde ontwerpbeperkingen worden gerealiseerd op een enkel apparaat?

Om deze vragen in het nieuwe systeem te beantwoorden, Mayer et al. construeerde de apparaatmogelijkheden als een deterministische, multi-gestructureerde 3D fluorescerende veiligheidsfunctie met meerdere emissiekleuren. De wetenschappers gebruikten zeven verschillende vloeistoffen in de microfluïdische opstelling als gedetailleerd begin.

Ze construeerden de microfluïdische kamer en plaatsten de structuur in een commerciële 3D-laserlithografiemachine. De microfluïdische kamer bevatte een klein dekglaasje waarop structuren in 3D konden worden afgedrukt. Structurele wijzigingen die tijdens het experiment aan het 3D-laserlithografiesysteem werden aangebracht, beperkten de mogelijkheden van het apparaat niet. Mayer et al. geprinte structuren met een instelbare printresolutie, naast grote steekproefvoetafdrukken, afhankelijk van de steekproefomvang.

De wetenschappers ontwierpen het apparaat om de microfluïdische kamer reproduceerbaar te openen en te sluiten. Om drukgeïnduceerde glasbreuk in de opstelling te voorkomen, ze maten de kritische druk via onafhankelijk gecontroleerde verbrandingstesten. Om overdruk in de microfluïdische kamer te verminderen, de wetenschappers verbonden de output van de microfluïdische kamer met de afvalcontainer met behulp van een buis. Ze stelden de drukregelaar nooit in op een overdruk van meer dan 2 bar en installeerden een overdrukventiel tussen het verdeelventiel en de ingang naar de kamer. Op deze manier, Mayer et al. voorzorgsmaatregelen geïnstalleerd om ervoor te zorgen dat het glazen raam intact bleef onder een gecontroleerde stroom van fotoresist en vloeistoffen in het microfluïdische systeem, gedurende het hele experiment.

De hele opstelling bevatte de microfluïdische kamer, een elektronische drukregelaar aangesloten op een stikstoffles, verschillende reservoirs met verschillende fotoresist- en ontwikkelvloeistoffen. Het systeem bevatte ook een zelfgebouwde verdeelklep en buizen die de verschillende compartimenten met elkaar verbond. De wetenschappers behielden de computergestuurde controle van de schakelkleppen en voegden een eenvoudig versterkercircuit met een microcontrollerbord toe. Bij het inzetten van het microfluïdische systeem in een 3D-lithografische opstelling, Mayer et al. onnodig verbruik van fotoresist zoveel mogelijk verminderd en de apparaatconfiguratie verbeterd voor een optimale functie, beide vragen van de onderzoeksopzet beantwoorden.

De wetenschappers demonstreerden de mogelijkheden van het systeem door 3D-fluorescerende veiligheidskenmerken te fabriceren, vergelijkbaar met een vastgesteld protocol. In de werkstroom, ze injecteerden niet-fluorescerende fotoresist in de microfluïdische kamer om een ​​3D-ondersteuningsraster te creëren. Vervolgens hebben ze fluorescerende delen van de structuur in 3D geprint door herhaaldelijk fluorescerende fotoresists te injecteren. De blauw en groen emitterende fotoresists bevatten kwantumstippen, en de oranje en rood-emitterende resists bevatten organische Atto-kleurstoffen. De wetenschappers beeldden de geschreven beveiligingsstructuur af met behulp van een camera die was ingebouwd in het 3D-laserlithografiesysteem.

Toen ze de 3-D fluorescerende beveiligingsfunctie visualiseerden als een computerontwerp, het bevatte een 3D-kruisraster omringd door muren voor ondersteuning en fluorescerende markeringen die rond elk rasterpunt waren gerangschikt. De hele microstructuur zou ongeveer 7,8 kbit aan informatie kunnen opslaan. Om de 3D-geprinte structuren te karakteriseren, Mayer et al. gebruikte confocale laser scanning microscopie (LSM) en beeldde de verschillende fluorescerende delen af. De wetenschappers onderzochten het detailniveau waarop de fluorescerende delen van de structuur werden afgedrukt door verschillende niveaus van de fluorescerende 3D-microstructuur te scannen. In productie, ze toonden aan dat de resultaten tussen de ontworpen testpatronen en de gemeten gegevens goed overeenkwamen.

Op deze manier, Mayer et al. introduceerde een microfluïdisch systeem dat fotoresist-injectie en monsterontwikkelingsstappen kon uitvoeren binnen een in de handel verkrijgbare laserlithografiemachine. Het systeem vergemakkelijkte de fabricage van 3D-laserlithografiestructuren met meerdere materialen. Als een proof-of-principle, ze printten complexe 3D-beveiligingskenmerken met behulp van het gecombineerde systeem in het onderzoek.

De wetenschappers voorzien dat gecombineerde microfluïdische-laserlithografiesystemen in de toekomst op grote schaal zullen worden gebruikt om complexe 3D-micro- en nanostructuren met meerdere materialen te vervaardigen. Dergelijke materialen en systemen zullen toepassingen hebben op diverse gebieden, zoals 3D-steigers voor celcultuur, 3D-metamaterialen, 3-D micro-optische systemen en 3D-beveiligingsfuncties zoals getoond in de studie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk