Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Heidelberg hebben een fotoresist ontwikkeld voor microprinting met twee fotonen. Het is nu voor het eerst gebruikt om driedimensionale polymeermicrostructuren te produceren met holtes in het nanobereik. In Geavanceerde materialen , de wetenschappers rapporteren hoe de porositeit tijdens het printen kan worden gecontroleerd en hoe dit de lichtverstrooiingseigenschappen van de microstructuren beïnvloedt.

Fotoresists zijn drukinkten die worden gebruikt om de kleinste microstructuren in drie dimensies af te drukken door middel van zogenaamde twee-fotonenlithografie. Tijdens het afdrukken, een laserstraal wordt in alle ruimtelijke richtingen bewogen door de aanvankelijk vloeibare fotoresist. De fotoresist hardt alleen uit in het brandpunt van de laserstraal. Beetje bij beetje, Op deze manier kunnen complexe microstructuren worden gebouwd. In een tweede stap, een oplosmiddel wordt gebruikt om die gebieden te verwijderen die niet zijn blootgesteld aan straling. Complexe polymeerarchitecturen in het micrometer- en nanometerbereik blijven bestaan.

Twee-fotonpolymerisatie - of twee-foton-microprinting op basis van dit proces - wordt al enkele jaren uitgebreid bestudeerd, met name wat betreft de productie van micro-optica, zogenaamde metamaterialen, en microsteigers voor experimenten met enkele biologische cellen. Om het spectrum van toepassingen uit te breiden, nieuwe afdrukbare materialen nodig zijn. Dat is het uitgangspunt van de wetenschappers die betrokken zijn bij het Cluster of Excellence 3-D Matter Made to Order (3DMM2O) van het KIT en de Universiteit van Heidelberg. "Met behulp van conventionele fotoresists, het was mogelijk om transparant te printen, alleen glasachtige polymeren, " zegt Frederik Mayer, natuurkundige van het KIT en hoofdauteur van de studie. "Onze nieuwe fotoresist maakt voor het eerst het printen van 3D-microstructuren van poreus nanofoam mogelijk. Dit polymeerschuim heeft holtes van 30 tot 100 nm groot, die gevuld zijn met lucht."

Van transparant naar wit

"Er is nog nooit een fotoresist geweest voor 3D-lasermicroprinten, waarmee 'wit' materiaal bedrukt kan worden, " merkt Frederik Mayer op. Als in een poreuze eierschaal, door de vele kleine luchtgaatjes in de poreuze nanoarchitecturen lijken ze wit. Het mengen van witte deeltjes in een conventionele fotolak zou dit effect niet hebben, omdat de fotoresist tijdens het printen transparant moet zijn voor de (rode) laserstraal. "Onze fotoresist, " zegt Mayer, "is transparant voorafgaand aan het afdrukken, maar de geprinte objecten zijn wit en hebben een hoge reflectiviteit." De onderzoekers uit Karlsruhe en Heidelberg toonden dit aan door een Ulbricht-bol (een optische component) zo fijn als een haar af te drukken.

Een andere factor die nieuwe toepassingen opent, is het extreem grote interne oppervlak van het poreuze materiaal. Het kan nuttig zijn voor filtratieprocessen op de kleinste ruimte, zeer waterafstotende coatings, of het kweken van biologische cellen.

De samenwerking van drie van de negen onderzoekslijnen van de Cluster of Excellence onthulde de toepassingen waarvoor de nieuwe fotoresist geschikt is en hoe deze op de best mogelijke manier kan worden toegepast. Door middel van elektronenmicroscopie scans en optische experimenten, onderzoekers lieten zien hoe de holtes zijn verdeeld in gedrukte structuren en hoe hun vorming kan worden gecontroleerd door de afdrukparameters en met name de intensiteit van de laserpulsen te variëren. Het werk in het cluster van excellentie werd uitgevoerd door materiaalwetenschappers van de Universiteit van Heidelberg en chemici en natuurkundigen van het KIT.