Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben nieuwe manieren ontdekt om de mogelijkheden van twee-fotonlithografie (TPL) uit te breiden. een 3D-printtechniek met hoge resolutie die in staat is om nanoschaalkenmerken te produceren die kleiner zijn dan een honderdste van de breedte van een mensenhaar.

De bevindingen, onlangs gepubliceerd op de omslag van het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces , ontketent ook het potentieel voor röntgencomputertomografie (CT) om stress of defecten niet-invasief te analyseren in ingebedde 3D-geprinte medische apparaten of implantaten.

Twee-foton lithografie vereist typisch een dun glasplaatje, een lens en een immersieolie om het laserlicht te helpen focussen tot een fijn punt waar uitharding en afdrukken plaatsvinden. Het verschilt van andere 3D-printmethoden in resolutie, omdat het functies kan produceren die kleiner zijn dan de laserlichtvlek, een schaal die geen enkel ander drukproces kan evenaren. De techniek omzeilt de gebruikelijke diffractielimiet van andere methoden omdat het fotoresistmateriaal dat uithardt en uithardt om structuren te creëren - voorheen een handelsgeheim - tegelijkertijd twee fotonen absorbeert in plaats van één.

In de krant, LLNL-onderzoekers beschrijven het kraken van de code op resistmaterialen die zijn geoptimaliseerd voor lithografie met twee fotonen en het vormen van 3D-microstructuren met kenmerken van minder dan 150 nanometer. Eerdere technieken bouwden structuren vanaf de grond op, het beperken van de hoogte van objecten omdat de afstand tussen het glasplaatje en de lens meestal 200 micron of minder is. Door het proces op zijn kop te zetten - het resistmateriaal direct op de lens te plaatsen en de laser door de resist te focussen - kunnen onderzoekers nu objecten van meerdere millimeters hoog printen. Verder, onderzoekers waren in staat om de hoeveelheid röntgenstralen die de fotopolymeerresist kon absorberen af ​​te stemmen en te vergroten, verbetering van de demping met meer dan 10 keer ten opzichte van de fotoresists die gewoonlijk voor de techniek worden gebruikt.

"In deze krant, we hebben de geheimen ontgrendeld voor het maken van aangepaste materialen op twee-foton lithografiesystemen zonder resolutie te verliezen, " zei LLNL-onderzoeker James Oakdale, een co-auteur op het papier.

Omdat het laserlicht breekt als het door het fotoresistmateriaal gaat, de spil voor het oplossen van de puzzel, zeiden de onderzoekers, was "index matching" - ontdekken hoe de brekingsindex van het resistmateriaal kon worden aangepast aan het immersiemedium van de lens, zodat de laser er ongehinderd doorheen kon. Index matching opent de mogelijkheid om grotere delen te printen, ze zeiden, met functies zo klein als 100 nanometer.

"De meeste onderzoekers die lithografie met twee fotonen willen gebruiken voor het printen van functionele 3D-structuren, willen onderdelen die groter zijn dan 100 micron, " zei Sourabh Saha, hoofdauteur van de krant. "Met deze index-matched resists, u kunt structuren zo hoog printen als u wilt. De enige beperking is de snelheid. Het is een afweging, maar nu we weten hoe we dit moeten doen, we kunnen het proces diagnosticeren en verbeteren."

Door de röntgenabsorptie van het materiaal af te stemmen, onderzoekers kunnen nu röntgencomputertomografie gebruiken als een diagnostisch hulpmiddel om de binnenkant van onderdelen in beeld te brengen zonder ze open te snijden of om 3D-geprinte objecten te onderzoeken die in het lichaam zijn ingebed, zoals stents, gewrichtsvervangingen of botsteigers. Deze technieken kunnen ook worden gebruikt om de interne structuur van doelen voor de National Ignition Facility te produceren en te onderzoeken, evenals optische en mechanische metamaterialen en 3D-geprinte elektrochemische batterijen.

De enige beperkende factor is de tijd die nodig is om te bouwen, dus onderzoekers zullen vervolgens kijken om het proces te parallelliseren en te versnellen. Ze zijn van plan om in de toekomst naar nog kleinere functies te gaan en meer functionaliteit toe te voegen, de techniek gebruiken om echte, missiekritische onderdelen.

"Het is een heel klein stukje van de puzzel die we hebben opgelost, maar we hebben veel meer vertrouwen in onze capaciteiten om nu op dit gebied te gaan spelen, " Zei Saha. "We zijn op een pad waarvan we weten dat we een mogelijke oplossing hebben voor verschillende soorten toepassingen. Onze drang naar kleinere en kleinere functies in grotere en grotere structuren brengt ons dichter bij de voorhoede van wetenschappelijk onderzoek dat de rest van de wereld doet. En aan de toepassingskant, we ontwikkelen nieuwe praktische manieren om dingen te printen."