Lab låser op for hemmeligheder bag 3D-print i nanoskala

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har opdaget nye måder at udvide mulighederne for to-foton litografi (TPL), en højopløsnings 3-D printteknik, der er i stand til at producere nanoskala-træk, der er mindre end en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår.

Fundene, for nylig offentliggjort på forsiden af ​​tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader , frigør også potentialet for røntgencomputertomografi (CT) til at analysere stress eller defekter ikke-invasivt i indlejret 3-D-printet medicinsk udstyr eller implantater.

To-foton litografi kræver typisk en tynd glasplade, en linse og en immersionsolie for at hjælpe laserlyset med at fokusere til et fint punkt, hvor hærdning og udskrivning finder sted. Det adskiller sig fra andre 3-D-printmetoder i opløsning, fordi det kan producere træk, der er mindre end laserlyspletten, en skala ingen anden trykproces kan matche. Teknikken omgår den sædvanlige diffraktionsgrænse for andre metoder, fordi fotoresistmaterialet, der hærder og hærder for at skabe strukturer - tidligere en forretningshemmelighed - samtidig absorberer to fotoner i stedet for én.

I avisen, LLNL-forskere beskriver, at man knækker koden på resistmaterialer, der er optimeret til to-foton-litografi og danner 3D-mikrostrukturer med funktioner på mindre end 150 nanometer. Tidligere teknikker byggede strukturer fra bunden, begrænsning af genstandes højde, fordi afstanden mellem glaspladen og linsen normalt er 200 mikron eller mindre. Ved at vende processen på hovedet – sætte resistmaterialet direkte på linsen og fokusere laseren gennem resisten – kan forskerne nu printe objekter i flere millimeters højde. Desuden, forskere var i stand til at indstille og øge mængden af ​​røntgenstråler, som fotopolymeren modstår kunne absorbere, forbedre dæmpningen med mere end 10 gange i forhold til de fotoresists, der almindeligvis anvendes til teknikken.

"I denne avis, vi har låst op for hemmelighederne bag at lave brugerdefinerede materialer på to-foton litografisystemer uden at miste opløsning, " sagde LLNL-forsker James Oakdale, en medforfatter på papiret.

Fordi laserlyset brydes, når det passerer gennem fotoresistmaterialet, nøglen til at løse gåden, sagde forskerne, var "indeksmatching" - opdagede, hvordan man matcher brydningsindekset for resistmaterialet til linsens nedsænkningsmedie, så laseren kunne passere uhindret. Indeksmatching åbner mulighed for at printe større dele, de sagde, med funktioner så små som 100 nanometer.

"De fleste forskere, der ønsker at bruge to-foton litografi til at printe funktionelle 3-D strukturer, ønsker dele højere end 100 mikron, " sagde Sourabh Saha, avisens hovedforfatter. "Med disse indeksmatchede resists, du kan printe strukturer så høje du vil. Den eneste begrænsning er hastigheden. Det er en afvejning, men nu hvor vi ved, hvordan man gør dette, vi kan diagnosticere og forbedre processen."

Ved at justere materialets røntgenabsorption, forskere kan nu bruge røntgencomputertomografi som et diagnostisk værktøj til at afbilde indersiden af ​​dele uden at skære dem op eller til at undersøge 3-D-printede objekter indlejret i kroppen, såsom stents, ledudskiftninger eller knoglestilladser. Disse teknikker kunne også bruges til at producere og undersøge den interne struktur af mål for National Ignition Facility, samt optiske og mekaniske metamaterialer og 3-D-printede elektrokemiske batterier.

Den eneste begrænsende faktor er den tid det tager at bygge, så forskerne vil næste gang se på at parallelisere og fremskynde processen. De har til hensigt at flytte ind i endnu mindre funktioner og tilføje mere funktionalitet i fremtiden, bruge teknikken til at bygge ægte, missionskritiske dele.

"Det er en meget lille brik af puslespillet, som vi har løst, men vi er meget mere sikre på vores evner til at begynde at spille på dette felt nu, " sagde Saha. "Vi er på en vej, hvor vi ved, at vi har en potentiel løsning til forskellige typer applikationer. Vores fremstød for mindre og mindre funktioner i større og større strukturer bringer os tættere på forkant med den videnskabelige forskning, som resten af ​​verden laver. Og på ansøgningssiden, vi udvikler nye praktiske måder at printe ting på."