Wetenschap
Een eenvoudige, schaalbare methode waarbij gebruik wordt gemaakt van licht om spiraalvormige nanostructuren in 3D te printen
Een nieuw fabricageproces voor spiraalvormige metalen nanodeeltjes biedt een eenvoudigere, goedkopere manier om snel een materiaal te produceren dat essentieel is voor biomedische en optische apparaten, volgens een onderzoek van onderzoekers van de Universiteit van Michigan.
"Een van onze drijfveren is het drastisch vereenvoudigen van de productie van complexe materialen die knelpunten vormen in veel huidige technologieën", zegt Nicholas Kotov, de Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering aan de U-M en co-corresponderend auteur van de studie, gepubliceerd in Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen .
Er is veel vraag naar chirale oppervlakken – wat betekent dat het oppervlak geen spiegelsymmetrie heeft (bijvoorbeeld een linker- en rechterhand) – die het vermogen hebben om licht op nanoschaal te buigen. De nieuwe studie demonstreert een manier om ze te maken door ‘bossen’ van helices op nanoschaal in 3D te printen. Door de assen van de helices uit te lijnen met een lichtstraal ontstaat een sterke optische rotatie, waardoor chiraliteit kan worden benut in de gezondheidszorg en informatietechnologie, waarvoor chiraliteit gebruikelijk is.
Chirale oppervlakken van plasmonische metalen zijn zelfs nog wenselijker omdat ze een grote familie van zeer gevoelige biodetectoren kunnen produceren. Ze kunnen bijvoorbeeld specifieke biomoleculen detecteren – geproduceerd door gevaarlijke medicijnresistente bacteriën, gemuteerde eiwitten of DNA – die kunnen helpen bij de ontwikkeling van gerichte therapieën. Deze materialen bieden ook potentieel om informatietechnologieën vooruit te helpen, waardoor grotere gegevensopslagcapaciteiten en snellere verwerkingssnelheden worden gecreëerd door gebruik te maken van de interactie van licht met elektronische systemen (d.w.z. glasvezelkabels).
Hoewel deze speciale 3D-gestructureerde oppervlakken van opstaande helices hard nodig zijn, zijn de traditionele methoden om ze te maken complex en duur en veroorzaken ze veel afval.
Meestal worden deze materialen gemaakt met behulp van zeer gespecialiseerde hardware, zoals 3D-lithografie met twee fotonen of door ionen/elektronenbundels geïnduceerde depositie, die alleen beschikbaar is in een paar hoogwaardige faciliteiten. Hoewel ze nauwkeurig zijn, omvatten deze methoden een tijdrovende verwerking in meerdere stappen bij lage druk of hoge temperaturen.
3D-printen is voorgesteld als alternatief, maar bestaande 3D-printtechnologieën laten geen resolutie op nanoschaal toe. Als oplossing heeft het U-M-onderzoeksteam een methode ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van spiraalvormige lichtstralen om spiralen op nanoschaal te produceren met een specifieke handigheid en spoed.
"Chirale plasmonische oppervlakken op centimeterschaal kunnen binnen enkele minuten worden geproduceerd met behulp van goedkope lasers met gemiddeld vermogen. Het was verbazingwekkend om te zien hoe snel deze spiraalvormige bossen groeien", aldus Kotov.
Het 3D-printen van spiraalvormige structuren door middel van spiraalvormig licht is gebaseerd op de chiraliteitsoverdracht van licht naar materie die ongeveer tien jaar geleden bij de U-M werd ontdekt.
Eénstaps, maskervrij, direct-write printen vanuit waterige oplossingen van zilverzout biedt een alternatief voor nanolithografie en bevordert tegelijkertijd 3D-additive manufacturing. De eenvoud van de verwerking, de hoge polarisatierotatie en de fijne ruimtelijke resolutie van het door licht aangedreven printen van spiralen uit metaal zullen de voorbereiding van complexe architectuur op nanoschaal voor de volgende generatie optische chips aanzienlijk versnellen.