Frirums nanoprint ud over optiske grænser for at skabe 4D funktionelle strukturer
To-foton polymerisation er en potentiel metode til nanofabrikation til at integrere nanomaterialer baseret på femtosekund laser-baserede metoder. Udfordringer inden for 3D nanoprint omfatter langsom lag-for-lag-udskrivning og begrænsede materialemuligheder som følge af laser-stof-interaktioner.
I en ny rapport nu om Science Advances , Chenqi Yi og et team af forskere inden for teknologividenskab, medicin og industriel ingeniørvidenskab ved Wuhan University China og Purdue University U.S., viste en ny 3D-nanoprint-tilgang kendt som free-space nanoprinting ved at bruge en optisk kraftbørste.
Dette koncept gjorde det muligt for dem at udvikle præcise og rumlige skrivestier ud over optiske grænser for at danne 4D funktionelle strukturer. Metoden lettede den hurtige aggregering og størkning af radikaler for at lette polymerisering med øget følsomhed over for laserenergi, for at give høj nøjagtighed, maling med fri plads, ligesom kinesisk penselmaling på papir.
Ved at bruge metoden øgede de udskrivningshastigheden for med succes at udskrive en række bioniske muskelmodeller afledt af 4D nanostrukturer med justerbare mekaniske egenskaber som svar på elektriske signaler med fremragende biokompatibilitet.
Enhedsteknik
Nanoenheder og nanostrukturer kan konstrueres ved høj opløsning og hastighed for at danne næste generations produkter. Halvlederindustrien kan bruge litografi, aflejring og ætsning til at skabe 3D-strukturer fra en række forskellige materialer, selvom de høje forarbejdningsomkostninger og det begrænsede udvalg af materialer kan påvirke fleksibel fremstilling af 3D-strukturer af funktionelle materialer.
Materialeforskere har brugt to-foton polymerisation-baseret femtosekund laser direkte skrivning til at skabe komplekse 3D nanostrukturer ved hjælp af mikro/nanopolymerer til at danne fotoniske kvasikrystaller, metamaterialer og nanoarkitekturer.
Denne metode er dog stadig begrænset af en langsom udskrivningshastighed, trappeoverfladeteksturer og begrænsede fotohærdbare materialer. I dette arbejde har Yi et al. undersøgt frirum-laserskrivning for at analysere, hvordan den frembringer fotokemiske kræfter for at udføre penselbaseret nanomaling med optisk kraft.
Fripladsmaleri med femtosekundlaser
Når tidsskalaerne når femtosekundet, kan molekyler absorbere fotonen til excitation til en elektronisk højere tilstand med en frastødende potentiel energioverflade for at generere frie radikaler.
Forskere kan bruge multifotonabsorptionsmekanismer til at absorbere ultrakort puls fotonenergi i molekyler og aktivere elektronovergang mellem jorden og exciteret tilstand. Yi og kolleger bestrålede aktive radikaler med en femtosekundlaser for at de optiske kræfter hurtigt kunne aggregere dem og syntetisere til makromolekyler for hurtigt at fuldføre størkning uden efterbehandling, samtidig med at den termiske bevægelse af opløsningsmiddelmolekylerne blev minimeret.
Forskerne udviklede en hydrogel-baseret blæk som en fotoswitch aktiveret ved femtosekund laserskrivning gennem to-foton absorption, hvor radikaler i gelen absorberede foton energi fra femtosekund laser. Mens frie radikaler dannede bindingsenergi i molekylerne, forbandt holdet de langkædede molekyler til forskellige funktionelle grupper til en række forskellige anvendelser.
Den udskrivbare hydrogel-baserede blæk tilbød yderst biokompatible, elastiske og fleksible betingelser for flere anvendelser af frirums-printbare nanostrukturer i biomedicin.
Handlingsmekanisme
Laserstrålen bevægede sig frit i opløsning ligesom en pen i rummet og involverede tre trin:aktivering, aggregering og størkning af frie radikaler. Forskerne dyrkede polymerisationshastighederne for to-fotonpolymerisation og optisk kraftbørste separat med en multifysisk model.
Fremgangsmåden forbedrede i høj grad effektiviteten af skrivestrukturen gennem en lag-for-lag, linje-for-linje printmetode, hvor antallet af lag direkte korrelerede med tykkelsesopløsningen. Metoden faciliterede også stærkt forbedret 3D nanostruktur skriveeffektivitet og nøjagtighed. De forfinede de eksperimentelle resultater for at vise, hvordan den optiske kraft påført de frie radikaler var direkte relateret til antallet af impulser, intensiteten af laserfeltet og dets absorptionskoefficient.
Da femtosekundlaseren bestrålede materialet, blev den kinetiske energi fra fotonerne udvekslet med de aktive frie radikaler for at bevæge sig af den optiske kraft, hvilket til sidst resulterede i skarp og højopløselig 3D nanoprinting. Holdet studerede de grundlæggende mekanismer, der ligger til grund for disse processer, gennem numeriske simuleringer via multifysiske simuleringer for at undersøge radikalernes bevægelse og sammensatte proces.
Udvikling af et indlejret muskelsystem
Denne metode gjorde det muligt for Yi og kolleger at printe muskel-, mave- og senevæv sammensat af flerlags indlejring af fibre og fiberbundter, som er svære at printe via traditionelle 3D-printmetoder. Holdet printede musklens indre og ydre form, mens de aktiverede dens bevægelse via elektrisk stimulering med en funktionel hydrogel-baseret blæk. Dette resulterer i det første tilfælde af samtidig opnåelse af både strukturel og funktionel bionisk nanoprinting.
Forskerne demonstrerede strukturen af rottehamstringens sener og mave trykt med optisk kraftbørste og lag-for-lag-metode. Metoderne viste potentialet til at printe flerlagsstrukturer i 3D-rum, mens muskelfibertykkelsen blev tynd til tyk for at give en række funktioner.
Forskerne viste muligheden for fuldstændigt at implantere mikro- og nanostrukturerne i en organisme for at realisere funktionelle og strukturelle biostrukturer i denne skala. Denne frirumsudskrivningsmetode gennem den optiske kraftbørsteteknik åbner muligheder for at anvende multifunktionelle mikro- og nanostrukturer i biologi.
Outlook
På denne måde brugte Chenqi Yi og kolleger optisk kraftbørste som en metode, der integrerede femtosekund lasermalerpensel til at printe funktionelle strukturer med ægte 3D-frihed. Den optiske kraftbørste har unikke egenskaber med en underliggende proces med optisk kraft aktiveret nanomaling, for at lette en ultrahøj størkningshastighed, lav størkningstærskel og høj følsomhed over for laser for præcist at regulere udskrivningsprocessen. Følsomheden gjorde det muligt for dem nøjagtigt at regulere og skabe indviklede strukturer med fine detaljer.
Dette resulterede i ægte 3D-printfrihed til kontinuerlig udskrivning og sømløse overgange mellem forskellige planer. Arbejdet undersøgte yderligere mekanismerne for optiske kræfter til nanoprint i frit rum under brug af optiske kraftbørster. Dette omfattede interaktioner af femtosekundlaseren med frie radikaler i hydrogelblækfotoswitchen; en mekanisme også udforsket gennem numeriske simuleringer.
Forskningen understregede kapaciteten af den optiske kraftbørste til at udvikle bioniske funktionelle strukturer og bane vejen for yderligere undersøgelser inden for vævsteknologi og regenerativ medicin med banebrydende egenskaber.
Flere oplysninger: Yi C. et al., Optisk kraftpensel muliggjorde maling af frit rum af 4D-funktionelle strukturer, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg0300
Ergin T. et al. Tredimensionel usynlighedskappe ved optiske bølgelængder, Science (2023). DOI:10.1126/science.1186351
Journaloplysninger: Videnskab , Videnskabelige fremskridt
© 2023 Science X Network
Varme artikler
-
Design af ion-motorvejssystemer til batterierEffekt af ladningsfraktion på nanostrukturfaseadfærd. Kredit: Naturmaterialer (2014) doi:10.1038/nmat4001 Siden begyndelsen af 1970erne, lithium har været det mest populære element til batterie -
Slukker verdens vand- og energikriser, en lille dråbe ad gangenEn bille i Namib-ørkenen i Afrika bruger sin teksturerede ryg til at samle drikkevand fra den tågefyldte morgenvind. Hvis forskere kan udføre noget billebiomimik, det ville betyde en ny kilde til vand -
Forskere demonstrerer modulering af infrarødt lys med grafenFase- og amplitudemodulation af lys med et enkelt ark grafen. Kredit:(US Naval Research Laboratory) - Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL) Electronics Science and Technology Division -
Forskere udvikler ny metode til at isolere atomark og skabe nye materialerAtomisk tynde halvlederskiver (MoS2 monolag, lateral dimension af hvert panel ~ 1 cm, wafertykkelse på kun ~0,7 nm). Forskerne opnåede disse monolag fra lag-for-lag eksfoliering af en MoS2-enkeltkryst
- Ny halvlederdetektor viser løfte om medicinsk diagnostik og hjemlandsikkerhed
- Ny eksotisk stofpartikel, en tetraquark, opdaget
- Magnetiserende vanddråber for at få dem til at hoppe
- Biologer afslører, hvordan vigtige kulhydrattilknytningsmekanismer ikke fungerer
- Indstillelig optisk chip baner vej for nye kvanteenheder
- 35-års datarekord kortlægger havtemperaturændringer