Met behulp van een nieuwe, op tijd gebaseerde methode om het licht van een ultrasnelle laser te regelen, onderzoekers hebben een 3D-printtechniek op nanoschaal ontwikkeld die kleine structuren 1000 keer sneller kan fabriceren dan conventionele twee-foton lithografie (TPL) technieken, zonder resolutie op te offeren.

Ondanks de hoge doorvoer, de nieuwe parallelle techniek - bekend als femtoseconde projectie TPL (FP-TPL) - produceert een diepteresolutie van 175 nanometer, dat is beter dan gevestigde methoden en kan constructies maken met overhangen van 90 graden die momenteel niet kunnen worden gemaakt. De techniek zou kunnen leiden tot productie op schaal van bioscaffolds, flexibele elektronica, elektrochemische interfaces, micro-optica, mechanische en optische metamaterialen, en andere functionele micro- en nanostructuren.

Het werk, meldde 3 oktober in het tijdschrift Wetenschap , werd gedaan door onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de Chinese Universiteit van Hong Kong. Sourabh Saha, de hoofdpersoon van het artikel en de corresponderende auteur, is nu een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology.

Bestaande additieve fabricagetechnieken op nanoschaal gebruiken een enkele plek van licht met een hoge intensiteit - meestal rond de 700 tot 800 nanometer in diameter - om fotopolymeermaterialen om te zetten van vloeistoffen naar vaste stoffen. Omdat de punt door de hele constructie moet scannen die wordt gefabriceerd, de bestaande TPL-techniek kan vele uren vergen om complexe 3D-structuren te produceren, wat de mogelijkheid om te worden opgeschaald voor praktische toepassingen beperkt.

"In plaats van een enkel lichtpunt te gebruiken, we projecteren een miljoen punten tegelijk, "zei Saha. "Dit schaalt het proces drastisch op, want in plaats van te werken met een enkel punt dat moet worden gescand om de structuur te creëren, we kunnen een heel vlak van geprojecteerd licht gebruiken. In plaats van een enkel punt scherp te stellen, we hebben een volledig gefocust vlak dat in willekeurige structuren kan worden gemodelleerd."

Om een ​​miljoen punten te creëren, de onderzoekers gebruiken een digitaal masker dat vergelijkbaar is met dat van projectoren om afbeeldingen en video's te maken. In dit geval, het masker bestuurt een femtoseconde laser om het gewenste lichtpatroon te creëren in het vloeibare voorlopermateriaal van polymeer. Het licht met hoge intensiteit veroorzaakt een polymerisatiereactie die de vloeistof in vaste vorm verandert, waar gewenst, om 3D-structuren te maken.

Elke laag van de gefabriceerde structuur wordt gevormd door een lichtflits van 35 femtoseconden met hoge intensiteit. De projector en het masker worden vervolgens gebruikt om laag na laag te creëren totdat de hele structuur is geproduceerd. Het vloeibare polymeer wordt vervolgens verwijderd, het vaste achterlaten. Met de FP-TPL-techniek kunnen de onderzoekers in acht minuten een structuur produceren die met eerdere processen enkele uren zou kosten.

"Het parallelle twee-fotonsysteem dat is ontwikkeld, is een doorbraak in printen op nanoschaal waarmee de opmerkelijke prestaties in materialen en structuren op deze schaal kunnen worden gerealiseerd in bruikbare componenten, " zei Chris Spadaccini, directeur van het LLNL Center for Engineered Materials en Manufacturing.

In tegenstelling tot 3D-printen voor consumenten waarbij deeltjes op een oppervlak worden gespoten, de nieuwe techniek dringt diep door in de vloeibare voorloper, waardoor de fabricage van structuren mogelijk is die niet alleen met oppervlaktefabricage kunnen worden geproduceerd. Bijvoorbeeld, de techniek kan produceren wat Saha een "onmogelijke brug" noemt met overhangen van 90 graden en met meer dan een 1, 000:1 aspectverhouding van lengte tot functiegrootte. "We kunnen het licht op elke gewenste diepte in het materiaal projecteren, zodat we hangende 3D-structuren kunnen maken, " hij zei.

De onderzoekers hebben hangende structuren van een millimeter lang geprint tussen bases die kleiner zijn dan 100 micron bij 100 micron. De structuur stort niet in tijdens de fabricage, omdat de vloeistof en de vaste stof ongeveer dezelfde dichtheid hebben - en de productie gebeurt zo snel dat de vloeistof geen tijd heeft om te worden verstoord.

voorbij bruggen, de onderzoekers hebben verschillende structuren gekozen om de techniek te demonstreren, inclusief micropilaren, balkjes, log-stapels, draden en spiralen. De onderzoekers gebruikten conventionele polymeerprecursoren, maar Saha gelooft dat de techniek ook zou werken voor metalen en keramiek die kunnen worden gegenereerd uit precursorpolymeren.

"De echte toepassing hiervoor zou zijn in de productie op industriële schaal van kleine apparaten die kunnen worden geïntegreerd in grotere producten, zoals componenten in smartphones, " zei hij. "De volgende stap is om aan te tonen dat we met andere materialen kunnen printen om het materiaalpalet uit te breiden."

Onderzoeksgroepen werken al jaren aan het versnellen van het lithografieproces met twee fotonen dat wordt gebruikt om 3D-structuren op nanoschaal te produceren. Het succes van deze groep kwam van het aannemen van een andere manier om het licht te focussen, met behulp van zijn tijddomeineigenschappen, waardoor de productie van zeer dunne lichte vellen met een hoge resolutie en kleine functies mogelijk werd.

Door gebruik te maken van de femtosecondelaser kon het onderzoeksteam voldoende lichtintensiteit behouden om de polymerisatie van het twee-fotonproces op gang te brengen, terwijl de puntgroottes dun bleven. In de FP-TPL-techniek, de femtoseconde-pulsen worden uitgerekt en gecomprimeerd terwijl ze door het optische systeem gaan om tijdelijke focussering te implementeren. Het proces, die 3D-kenmerken kan genereren die kleiner zijn dan de diffractiebeperkte, geconcentreerde lichte vlek, vereist dat twee fotonen tegelijkertijd de vloeibare precursormoleculen raken.

"Traditioneel, er zijn compromissen tussen snelheid en resolutie, " zei Saha. "Als je een sneller proces wilt, je zou resolutie verliezen. We hebben deze technische afweging verbroken, waardoor we 1000 keer sneller kunnen printen met de kleinste functies."

Bij Georgia Tech, Saha is van plan het werk voort te zetten met nieuwe materialen en het proces verder op te schalen.

"Tot dusver, we hebben laten zien dat we behoorlijk goed kunnen presteren op het gebied van snelheid en resolutie, " zei hij. "De volgende vragen zullen zijn hoe goed we de kenmerken kunnen voorspellen en hoe goed we de kwaliteit op grote schaal kunnen controleren. Dat zal meer werk vergen om het proces zelf te begrijpen."