3-D printteknik accelererer fremstillingen i nanoskala 1000 gange

Ved at bruge en ny tidsbaseret metode til at styre lys fra en ultrahurtig laser, forskere har udviklet en nanoskala 3-D printteknik, der kan fremstille små strukturer 1000 gange hurtigere end konventionelle to-foton litografi (TPL) teknikker, uden at ofre beslutningen.

På trods af den høje gennemstrømning, den nye paralleliserede teknik - kendt som femtosecond projection TPL (FP-TPL) - producerer en dybdeopløsning på 175 nanometer, som er bedre end etablerede metoder og kan fremstille strukturer med 90 graders udhæng, som ikke kan laves i øjeblikket. Teknikken kan føre til produktion i produktionsskala af biostilladser, fleksibel elektronik, elektrokemiske grænseflader, mikro-optik, mekaniske og optiske metamaterialer, og andre funktionelle mikro- og nanostrukturer.

Arbejdet, rapporteret 3. oktober i journalen Videnskab , blev udført af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og The Chinese University of Hong Kong. Sourabh Saha, avisens leder og tilsvarende forfatter, er nu assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology.

Eksisterende tilsætningsfremstillingsteknikker i nanoskala bruger en enkelt plet af højintensitetslys - typisk omkring 700 til 800 nanometer i diameter - til at konvertere fotopolymermaterialer fra væsker til faste stoffer. Fordi punktet skal scanne gennem hele strukturen, der fremstilles, den eksisterende TPL-teknik kan kræve mange timer at producere komplekse 3-D strukturer, hvilket begrænser dens mulighed for at blive opskaleret til praktiske anvendelser.

"I stedet for at bruge et enkelt lyspunkt, vi projicerer en million point samtidigt, " sagde Saha. "Dette skalerer processen dramatisk op, fordi i stedet for at arbejde med et enkelt punkt, der skal scannes for at skabe strukturen, vi kan bruge et helt plan af projiceret lys. I stedet for at fokusere et enkelt punkt, vi har et helt fokuseret plan, der kan mønstres til vilkårlige strukturer."

For at skabe en million point, forskerne bruger en digital maske, der ligner dem, der bruges i projektorer til at skabe billeder og videoer. I dette tilfælde, masken styrer en femtosekundlaser for at skabe det ønskede lysmønster i det flydende polymermateriale. Det højintensive lys forårsager en polymerisationsreaktion, der gør væsken til fast, hvor det ønskes, at skabe 3D-strukturer.

Hvert lag af den fremstillede struktur er dannet af et 35 femtosekunders udbrud af højintensitetslys. Projektoren og masken bruges derefter til at skabe lag efter lag, indtil hele strukturen er produceret. Den flydende polymer fjernes derefter, efterlader det faste. FP-TPL-teknikken giver forskerne mulighed for på otte minutter at producere en struktur, der ville tage flere timer at producere ved hjælp af tidligere processer.

"Det parallelle to-foton system, der er blevet udviklet, er et gennembrud inden for nanoskala print, der vil gøre det muligt at realisere den bemærkelsesværdige ydeevne i materialer og strukturer i denne størrelsesskala i brugbare komponenter, " sagde LLNL's Center for Engineered Materials and Manufacturing Director Chris Spadaccini.

I modsætning til forbruger 3-D print, der bruger partikler sprøjtet på en overflade, den nye teknik går dybt ind i den flydende forløber, tillader fremstilling af strukturer, der ikke kunne fremstilles med overfladefabrikation alene. For eksempel, teknikken kan producere, hvad Saha kalder en "umulig bro" med 90 graders udhæng og med mere end en 1, 000:1 billedformat mellem længde og funktionsstørrelse. "Vi kan projicere lyset til den dybde, vi ønsker i materialet, så vi kan lave ophængte 3D-strukturer, " han sagde.

Forskerne har printet ophængte strukturer en millimeter lange mellem baser, der er mindre end 100 mikron gange 100 mikron. Strukturen kollapser ikke, mens den fremstilles, fordi væske og faststof har omtrent samme densitet - og produktionen sker så hurtigt, at væsken ikke når at blive forstyrret.

Ud over broer, forskerne lavede en række forskellige strukturer valgt til at demonstrere teknikken, herunder mikrosøjler, cuboids, log-bunker, ledninger og spiraler. Forskerne brugte konventionelle polymerprækursorer, men Saha mener, at teknikken også vil fungere for metaller og keramik, der kan genereres fra precursor-polymerer.

"Den virkelige anvendelse for dette ville være i industriel skala produktion af små enheder, der kan integreres i større produkter, såsom komponenter i smartphones, " sagde han. "Det næste skridt er at demonstrere, at vi kan printe med andre materialer for at udvide materialepaletten."

Forskergrupper har i årevis arbejdet på at fremskynde to-foton litografiprocessen, der bruges til at producere 3-D-strukturer i nanoskala. Succesen for denne gruppe kom fra at adoptere en anden måde at fokusere lyset på, ved at bruge dets tidsdomæneegenskaber, hvilket tillod produktion af meget tynde lette ark, der var i stand til høj opløsning - og små funktioner.

Brug af femtosekund-laseren gjorde det muligt for forskerholdet at opretholde nok lysintensitet til at udløse to-foton-procespolymeriseringen, mens punktstørrelserne blev holdt tynde. I FP-TPL teknikken, femtosekund-impulserne strækkes og komprimeres, når de passerer gennem det optiske system for at implementere tidsmæssig fokusering. Processen, som kan generere 3-D funktioner mindre end diffraktionsbegrænset, fokuseret lysplet, kræver, at to fotoner rammer de flydende precursor-molekyler samtidigt.

"Traditionelt der er afvejninger mellem hastighed og opløsning, " sagde Saha. "Hvis du vil have en hurtigere proces, du ville miste opløsning. Vi har brudt denne tekniske kompromis, giver os mulighed for at udskrive 1000 gange hurtigere med de mindste funktioner."

Hos Georgia Tech, Saha har til hensigt at fortsætte arbejdet med nye materialer og yderligere opskalering af processen.

"Indtil nu, vi har vist, at vi kan klare os ret godt med hastighed og opløsning, " sagde han. "De næste spørgsmål vil være, hvor godt vi kan forudsige funktionerne, og hvor godt vi kan kontrollere kvaliteten over store skalaer. Det vil kræve mere arbejde for at forstå selve processen."