Una estructura de escala milimétrica con características submicrónicas se apoya en un centavo estadounidense sobre una superficie reflectante. Crédito:Vu Nguyen y Sourabh Saha
Usando un nuevo método basado en el tiempo para controlar la luz de un láser ultrarrápido, Los investigadores han desarrollado una técnica de impresión 3D a nanoescala que puede fabricar estructuras diminutas 1000 veces más rápido que las técnicas convencionales de litografía de dos fotones (TPL). sin sacrificar la resolución.
A pesar del alto rendimiento, la nueva técnica paralelizada, conocida como proyección de femtosegundos TPL (FP-TPL), produce una resolución de profundidad de 175 nanómetros, que es mejor que los métodos establecidos y puede fabricar estructuras con voladizos de 90 grados que actualmente no se pueden hacer. La técnica podría conducir a la producción a escala de fabricación de bioandamios, electrónica flexible, interfaces electroquímicas, microóptica, metamateriales mecánicos y ópticos, y otras micro y nanoestructuras funcionales.
La obra, informó el 3 de octubre en la revista Ciencias , fue realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y la Universidad China de Hong Kong. Sourabh Saha, el autor principal y correspondiente del artículo, ahora es profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia.
Las técnicas de fabricación aditiva a nanoescala existentes utilizan un solo punto de luz de alta intensidad, por lo general alrededor de 700 a 800 nanómetros de diámetro, para convertir los materiales fotopoliméricos de líquidos a sólidos. Debido a que el punto debe escanear a través de toda la estructura que se está fabricando, la técnica TPL existente puede requerir muchas horas para producir estructuras tridimensionales complejas, lo que limita su capacidad de ampliarse para aplicaciones prácticas.
"En lugar de utilizar un único punto de luz, proyectamos un millón de puntos simultáneamente, ", dijo Saha." Esto amplía el proceso drásticamente porque en lugar de trabajar con un solo punto que debe escanearse para crear la estructura, podemos utilizar un plano completo de luz proyectada. En lugar de enfocar un solo punto, tenemos un plano enfocado completo que puede modelarse en estructuras arbitrarias ".
Para crear un millón de puntos, los investigadores usan una máscara digital similar a las que se usan en los proyectores para crear imágenes y videos. En este caso, la máscara controla un láser de femtosegundos para crear el patrón de luz deseado en el material polímero líquido precursor. La luz de alta intensidad provoca una reacción de polimerización que convierte el líquido en sólido, donde se desee, para crear estructuras tridimensionales.
Una estructura de anillo 3D apilada generada por la superposición de varias proyecciones en el espacio 3D. Se pueden generar estructuras 3D arbitrariamente complejas a través de esta técnica de impresión 3D a nanoescala de resolución en profundidad. Crédito:Vu Nguyen y Sourabh Saha
Cada capa de la estructura fabricada está formada por una ráfaga de 35 femtosegundos de luz de alta intensidad. El proyector y la máscara se utilizan para crear capa tras capa hasta que se produce la estructura completa. A continuación, se elimina el polímero líquido, dejando atrás el sólido. La técnica FP-TPL permite a los investigadores producir en ocho minutos una estructura que llevaría varias horas producir utilizando procesos anteriores.
"El sistema paralelo de dos fotones que se ha desarrollado es un gran avance en la impresión a nanoescala que permitirá que el notable rendimiento en materiales y estructuras a esta escala de tamaño se materialice en componentes utilizables, ", dijo Chris Spadaccini, director del Centro de Materiales de Ingeniería y Fabricación de LLNL.
A diferencia de la impresión 3D de consumo que utiliza partículas rociadas sobre una superficie, la nueva técnica profundiza en el precursor líquido, permitiendo la fabricación de estructuras que no podrían producirse únicamente con la fabricación de superficies. Por ejemplo, la técnica puede producir lo que Saha llama un "puente imposible" con voladizos de 90 grados y con más de 1, Relación de aspecto de 000:1 entre la longitud y el tamaño de la función. "Podemos proyectar la luz a cualquier profundidad que queramos en el material, para que podamos hacer estructuras tridimensionales suspendidas, " él dijo.
Los investigadores han impreso estructuras suspendidas de un milímetro de largo entre bases que son menores de 100 micrones por 100 micrones. La estructura no se colapsa mientras se fabrica porque el líquido y el sólido tienen aproximadamente la misma densidad, y la producción ocurre tan rápidamente que el líquido no tiene tiempo de ser alterado.
Más allá de los puentes los investigadores hicieron una variedad de estructuras elegidas para demostrar la técnica, incluyendo micro-pilares, cuboides pilas de troncos, alambres y espirales. Los investigadores utilizaron precursores de polímeros convencionales, pero Saha cree que la técnica también funcionaría para metales y cerámicas que se pueden generar a partir de polímeros precursores.
"La aplicación real de esto sería en la producción a escala industrial de pequeños dispositivos que pueden integrarse en productos más grandes, como componentes en teléfonos inteligentes, ", dijo." El siguiente paso es demostrar que podemos imprimir con otros materiales para ampliar la paleta de materiales ".
Estructuras sobresalientes en 3D impresas uniendo múltiples proyecciones 2D, demostrando la capacidad de imprimir características resueltas en profundidad. La estructura del puente, con voladizos de 90 grados, Es un desafío imprimir utilizando técnicas de escaneo en serie TPL. Crédito:Vu Nguyen y Sourabh Saha
Los grupos de investigación han estado trabajando durante años para acelerar el proceso de litografía de dos fotones utilizado para producir estructuras tridimensionales a nanoescala. El éxito de este grupo vino de adoptar una forma diferente de enfocar la luz, usando sus propiedades en el dominio del tiempo, lo que permitió la producción de láminas de luz muy delgadas capaces de alta resolución y características diminutas.
El uso del láser de femtosegundos permitió al equipo de investigación mantener suficiente intensidad de luz para desencadenar la polimerización del proceso de dos fotones mientras se mantenían delgados los tamaños de los puntos. En la técnica FP-TPL, los pulsos de femtosegundos se estiran y comprimen a medida que pasan a través del sistema óptico para implementar el enfoque temporal. El proceso, que puede generar características 3-D más pequeñas que las limitadas por difracción, punto de luz enfocado, requiere que dos fotones golpeen las moléculas precursoras líquidas simultáneamente.
"Tradicionalmente, hay compensaciones entre velocidad y resolución, "Dijo Saha." Si quieres un proceso más rápido, perderías la resolución. Hemos roto esta compensación de ingeniería, lo que nos permite imprimir 1000 veces más rápido con las funciones más pequeñas ".
En Georgia Tech, Saha tiene la intención de continuar avanzando en el trabajo con nuevos materiales y una mayor ampliación del proceso.
"Hasta aquí, hemos demostrado que podemos hacerlo bastante bien en velocidad y resolución, ", dijo." Las siguientes preguntas serán qué tan bien podemos predecir las características y qué tan bien podemos controlar la calidad a gran escala. Eso requerirá más trabajo para comprender el proceso en sí ".
