Multimateriale 3-D lasermikroprint ved hjælp af et integreret mikrofluidsystem

Kompleks, tredimensionelle (3-D) strukturer konstrueres regelmæssigt ved hjælp af en pålidelig kommerciel metode til 3-D laser mikro- og nanoprinting. I en nylig undersøgelse, Frederik Mayer og kolleger i Tyskland og Australien har præsenteret et nyt system, hvor et mikrofluidisk kammer kunne integreres på en laser 3-D litografienhed for at konstruere multimateriale strukturer ved hjælp af mere end ét bestanddel materiale. Den nye metode kan eliminere det eksisterende behov for at overføre mellem litografiteknikker og kemi-laboratorier for en strømlinet fremstillingsproces.

Som et bevis på princippet, forskerne skabte 3-D deterministiske mikrostrukturerede sikkerhedsfunktionsenheder ved hjælp af syv materialer. Disse omfattede (1) en ikke-fluorescerende fotoresist (lysfølsomt materiale) til at bygge enhedens rygrad, (2) to fotoresists indeholdende forskellige fluorescerende kvanteprikker, (3) yderligere to fotoresists med forskellige fluorescerende farvestoffer og (4) to fremkaldere. 3-D optiske sikkerhedsfunktioner fremstilles typisk gennem flertrins laserlitografi og kemiteknikker.

Mikrostrukturer til sådanne sikkerhedsfunktioner indeholder sædvanligvis et ikke-fluorescerende 3D-krydsgitterstillads og indbyggede fluorescerende markører realiseret med halvlederkvanteprikker arrangeret på stilladset efter behag for at kode en besked. De resulterende mikrostruktur/sikkerhedsfunktioner kan læses ved hjælp af optiske sektioneringsmetoder såsom 3-D konfokal fluorescens scanningsmikroskopi. Det nye system foreslået af Mayer et al. åbner derfor en dør til at konstruere multimaterialer i 3-D additiv fremstilling på mikro- og nanoskala på en kombineret mikrofluidisk-litografisk opsætning.

3-D laser printteknologi eller 3-D laser mikro- og nano-printing opstod for mere end 20 år siden og er nu udbredt. Nuværende applikationer er allestedsnærværende fra 3-D fotoniske krystaller til fotoniske trådbindinger, 3-D printede friformede overflader, mikro-optik til 3-D optiske kredsløb og mikrospejle. Anvendelser omfatter også optiske mikrolinsesystemer baseret på 3-D mekaniske metamaterialer, 3-D sikkerhedsfunktioner, til 3-D mikrostilladser til cellekultur og 3-D printede mikromaskiner. I de fleste offentliggjorte mikrostrukturer, imidlertid, videnskabsmænd brugte kun ét hovedmateriale til at skabe 3-D-arkitekturen, med bemærkelsesværdige undtagelser i nyere litteratur.

Under design, det er vigtigt at strømline den kemiske proces og 3-D laserprintteknik i den samme kompakte bordplademaskine for at opnå multimateriale print. På nuværende tidspunkt mikrofluidiske enheder er også kommercielt velegnede til at konstruere indbyrdes forbundne systemer, da modne komponenter i teknologien er let tilgængelige. Ligesom kabelkomponenter i et elektronisk system, stik, flow kontakter, ventiler, flowregulatorer og switch flow matricer kan købes fra hylden. Ved konstruktion af den kombinerede opsætning (mikrofluidik og laserlitografi), Mayer et al. behandlede to hovedspørgsmål:

1. Kan alle procestrin udføres i regimet med laminært flow?
2. Kan et attraktivt system med de definerede designbegrænsninger realiseres på en enkelt enhed?

For at løse disse spørgsmål i det nye system, Mayer et al. konstruerede enhedens egenskaber som en deterministisk, multistruktureret 3-D fluorescerende sikkerhedsfunktion med flere emissionsfarver. Forskerne brugte syv forskellige væsker i den mikrofluidiske opsætning som detaljeret start.

De konstruerede det mikrofluidiske kammer og placerede strukturen inde i en kommerciel 3-D laserlitografimaskine. Det mikrofluidiske kammer indeholdt et lille dækglas, hvorpå strukturer kunne 3-D printes. Strukturelle ændringer foretaget under eksperimentet til 3-D laserlitografisystemet begrænsede ikke enhedens muligheder. Mayer et al. trykte strukturer med en justerbar printopløsning, sammen med store prøvefodspor afhængigt af prøvestørrelsen.

Forskerne designede apparatet til reproducerbart at åbne og lukke mikrofluidkammeret. For at forhindre trykinduceret glasbrud i opsætningen, de målte det kritiske tryk via uafhængigt kontrollerede forbrændingstest. For at reducere overtrykket inde i mikrofluidkammeret, forskerne koblede udgangen fra mikrofluidkammeret til affaldsbeholderen ved hjælp af et rør. De indstillede aldrig trykregulatoren til et overtryk på over 2 bar og installerede en trykaflastningsventil mellem fordelerventilen og indgangen til kammeret. På denne måde Mayer et al. installerede forholdsregler for at sikre, at glasvinduet forblev intakt under kontrolleret flow af fotoresist og væsker i mikrofluidsystemet, gennem hele forsøget.

Hele opsætningen indeholdt det mikrofluidiske kammer, en elektronisk trykregulator forbundet til en nitrogenflaske, flere reservoirer med forskellige fotoresist- og fremkaldervæsker. Systemet indeholdt også en hjemmebygget fordelerventil og rør, der forbinder de forskellige rum. Forskerne opretholdt computerstøttet kontrol af omskifterventilerne og inkluderede et simpelt forstærkerkredsløb med et mikrocontrollerkort. Når det mikrofluidiske system implementeres i en 3-D litografisk opsætning, Mayer et al. reduceret unødvendigt forbrug af fotoresist så vidt muligt og udvidet enhedsopsætningen for optimal funktion, behandler begge spørgsmål i undersøgelsesdesignet.

Forskerne demonstrerede systemets muligheder ved at fremstille 3-D fluorescerende sikkerhedsfunktioner, svarende til en etableret protokol. I arbejdsgangen, de sprøjtede ikke-fluorescerende fotoresist ind i mikrofluidkammeret for at skabe et 3-D støttegitter. Derefter 3-D-printede de fluorescerende dele af strukturen ved gentagne gange at injicere fluorescerende fotoresists. De blå og grøn-emitterende fotoresists indeholdt kvanteprikker, og de orange og rødemitterende resists indeholdt organiske Atto-farvestoffer. Forskerne afbildede den skrevne sikkerhedsstruktur ved hjælp af et kamera indbygget i 3-D laserlitografisystemet.

Da de visualiserede 3-D fluorescerende sikkerhedsfunktion som et computerdesign, den indeholdt et 3-D krydsgitter omgivet af vægge til støtte og fluorescerende markører arrangeret rundt om hvert gitterpunkt. Hele mikrostrukturen kunne lagre omkring 7,8 kbit information. For at karakterisere de 3-D printede strukturer, Mayer et al. brugte konfokal laser scanningsmikroskopi (LSM) og afbildede de forskellige fluorescerende dele. Forskerne undersøgte detaljeringsniveauet, hvorpå de fluorescerende dele af strukturen blev udskrevet ved at scanne gennem forskellige niveauer af den fluorescerende 3-D mikrostruktur. I arbejdet, de viste, at resultaterne mellem de designede testmønstre og målte data var i god overensstemmelse.

På denne måde Mayer et al. introducerede et mikrofluidisk system, der kunne udføre fotoresist-injektion og prøveudviklingstrin i en kommercielt tilgængelig laserlitografimaskine. Systemet lettede fremstillingen af ​​multimateriale 3-D laserlitografistrukturer. Som et bevis på princippet, de udskrev komplekse 3D-sikkerhedsfunktioner ved hjælp af det kombinerede system i undersøgelsen.

Forskerne forestiller sig, at kombinerede mikrofluidisk-laserlitografisystemer vil blive meget brugt i fremtiden til at fremstille komplekse 3-D mikro- og nanostrukturer med flere materialer. Sådanne materialer og systemer vil have anvendelser inden for forskellige områder, såsom 3-D stilladser til cellekultur, 3-D metamaterialer, 3-D mikro-optiske systemer og 3-D sikkerhedsfunktioner som vist i undersøgelsen.

© 2019 Science X Network