Ny fotoresist muliggør 3D-print af mindste porøse strukturer

Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og Heidelberg Universitet har udviklet en fotoresist til to-foton mikroprint. Det er nu blevet brugt for første gang til at producere tredimensionelle polymermikrostrukturer med hulrum i nanoområdet. I Avancerede materialer , forskerne rapporterer, hvordan porøsiteten kan kontrolleres under udskrivning, og hvordan dette påvirker mikrostrukturernes lysspredningsegenskaber.

Fotoresister er trykfarver, der bruges til at printe mindste mikrostrukturer i tre dimensioner ved såkaldt to-foton litografi. Under udskrivning, en laserstråle bevæges i alle rumlige retninger gennem den oprindeligt flydende fotoresist. Fotoresisten hærder kun i laserstrålens brændpunkt. Lidt efter lidt, komplekse mikrostrukturer kan bygges på denne måde. I et andet trin, et opløsningsmiddel bruges til at fjerne de områder, der ikke var udsat for stråling. Komplekse polymerarkitekturer i mikrometer- og nanometerområdet forbliver.

To-foton polymerisation - eller to-foton mikroprintning baseret på denne proces - er blevet undersøgt grundigt i nogle år nu, især med hensyn til produktion af mikrooptik, såkaldte metamaterialer, og mikrostilladser til forsøg med enkelte biologiske celler. For at udvide spektret af applikationer, nye printbare materialer er påkrævet. Dette er udgangspunktet for de videnskabsmænd, der er involveret i Cluster of Excellence 3-D Matter Made to Order (3DMM2O) fra KIT og Heidelberg University. "Ved hjælp af konventionelle fotoresists, det var muligt at printe gennemsigtigt, kun glasagtige polymerer, siger Frederik Mayer, fysiker fra KIT og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores nye fotoresist muliggør for første gang udskrivning af 3-D mikrostrukturer fra porøst nanoskum. Dette polymerskum har hulrum på 30 til 100 nm i størrelse, som er fyldt med luft."

Fra gennemsigtig til hvid

"Der har aldrig været en fotoresist til 3-D laser mikroprint, som 'hvidt' materiale kan trykkes med, " påpeger Frederik Mayer. Som i en porøs æggeskal, de mange små lufthuller i de porøse nanoarkitekturer får dem til at fremstå hvide. Blanding af hvide partikler i en konventionel fotoresist ville ikke have denne effekt, fordi fotoresisten skal være gennemsigtig for den (røde) laserstråle under udskrivning. "Vores fotoresist, Mayer siger, "er gennemsigtig før udskrivning, men de trykte genstande er hvide og har en høj reflektivitet." Forskerne fra Karlsruhe og Heidelberg demonstrerede dette ved at printe en Ulbricht-kugle (en optisk komponent) så fin som et hår.

En anden faktor, der åbner op for nye anvendelser, er det ekstremt store indre overfladeareal af det porøse materiale. Det kan være nyttigt til filtreringsprocesser på mindste plads, meget vandafvisende belægninger, eller dyrkning af biologiske celler.

Samarbejdet mellem tre af de ni forskningsprojekter i Cluster of Excellence afslørede de anvendelser, som den nye fotoresist er egnet til, og hvordan den kan anvendes bedst muligt. Ved hjælp af elektronmikroskopi scanninger og optiske eksperimenter, forskere viste, hvordan hulrummene er fordelt i printede strukturer, og hvordan deres dannelse kan styres ved at variere printparametrene og især intensiteten af ​​laserimpulserne. Arbejdet i klyngen af ​​ekspertise blev udført af materialeforskere fra Heidelberg Universitet samt kemikere og fysikere fra KIT.