Utilizzando un nuovo metodo basato sul tempo per controllare la luce da un laser ultraveloce, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di stampa 3D su nanoscala in grado di fabbricare minuscole strutture 1000 volte più velocemente delle tecniche convenzionali di litografia a due fotoni (TPL), senza rinunciare alla risoluzione.

Nonostante l'elevata produttività, la nuova tecnica parallelizzata, nota come proiezione a femtosecondi TPL (FP-TPL), produce una risoluzione di profondità di 175 nanometri, che è migliore dei metodi consolidati e può fabbricare strutture con sporgenze di 90 gradi che attualmente non possono essere realizzate. La tecnica potrebbe portare alla produzione su scala industriale di bioscaffold, elettronica flessibile, interfacce elettrochimiche, micro-ottica, metamateriali meccanici e ottici, e altre micro e nanostrutture funzionali.

Il lavoro, riportato il 3 ottobre sulla rivista Scienza , è stato fatto da ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell'Università cinese di Hong Kong. Sourabh Saha, il capo del documento e l'autore corrispondente, è ora assistente professore presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology.

Le attuali tecniche di produzione additiva su scala nanometrica utilizzano un singolo punto di luce ad alta intensità, in genere di circa 700-800 nanometri di diametro, per convertire i materiali fotopolimerici da liquidi a solidi. Poiché il punto deve scansionare l'intera struttura da fabbricare, la tecnica TPL esistente può richiedere molte ore per produrre strutture 3D complesse, che limita la sua capacità di essere scalato per applicazioni pratiche.

"Invece di utilizzare un unico punto luce, proiettiamo un milione di punti contemporaneamente, " ha detto Saha. "Questo aumenta drasticamente il processo perché invece di lavorare con un singolo punto che deve essere scansionato per creare la struttura, possiamo usare un intero piano di luce proiettata. Invece di focalizzare un singolo punto, abbiamo un intero piano focalizzato che può essere modellato in strutture arbitrarie".

Per creare un milione di punti, i ricercatori utilizzano una maschera digitale simile a quelle utilizzate nei proiettori per creare immagini e video. In questo caso, la maschera controlla un laser a femtosecondi per creare il modello di luce desiderato nel materiale polimerico liquido precursore. La luce ad alta intensità provoca una reazione di polimerizzazione che trasforma il liquido in solido, dove desiderato, per creare strutture 3D.

Ogni strato della struttura fabbricata è formato da un lampo di luce ad alta intensità di 35 femtosecondi. Il proiettore e la maschera vengono quindi utilizzati per creare strato dopo strato fino a produrre l'intera struttura. Il polimero liquido viene quindi rimosso, lasciando il solido. La tecnica FP-TPL consente ai ricercatori di produrre in otto minuti una struttura che richiederebbe diverse ore per essere prodotta utilizzando processi precedenti.

"Il sistema parallelo a due fotoni che è stato sviluppato è una svolta nella stampa su scala nanometrica che consentirà di realizzare le notevoli prestazioni in materiali e strutture di questa scala di dimensioni in componenti utilizzabili, ", ha affermato Chris Spadaccini, Center for Engineered Materials and Manufacturing Director di LLNL.

A differenza della stampa 3D di consumo che utilizza particelle spruzzate su una superficie, la nuova tecnica va in profondità nel precursore liquido, consentendo la fabbricazione di strutture che non potrebbero essere prodotte con la sola fabbricazione superficiale. Ad esempio, la tecnica può produrre quello che Saha chiama un "ponte impossibile" con sporgenze di 90 gradi e con più di 1, Rapporto d'aspetto 000:1 della lunghezza rispetto alle dimensioni dell'elemento. "Possiamo proiettare la luce a qualsiasi profondità desideriamo nel materiale, così possiamo realizzare strutture 3-D sospese, " Egli ha detto.

I ricercatori hanno stampato strutture sospese lunghe un millimetro tra le basi che sono più piccole di 100 micron per 100 micron. La struttura non collassa durante la fabbricazione perché il liquido e il solido hanno all'incirca la stessa densità e la produzione avviene così rapidamente che il liquido non ha il tempo di essere disturbato.

Oltre i ponti, i ricercatori hanno realizzato una varietà di strutture scelte per dimostrare la tecnica, compresi i micro-pilastri, cuboidi, pile di tronchi, fili e spirali. I ricercatori hanno utilizzato precursori polimerici convenzionali, ma Saha crede che la tecnica funzionerebbe anche per metalli e ceramiche che possono essere generati da polimeri precursori.

"La vera applicazione per questo sarebbe nella produzione su scala industriale di piccoli dispositivi che possono essere integrati in prodotti più grandi, come i componenti degli smartphone, " ha detto. "Il prossimo passo è dimostrare che possiamo stampare con altri materiali per espandere la tavolozza dei materiali".

I gruppi di ricerca lavorano da anni per accelerare il processo di litografia a due fotoni utilizzato per produrre strutture 3-D su nanoscala. Il successo di questo gruppo deriva dall'adozione di un modo diverso di focalizzare la luce, usando le sue proprietà nel dominio del tempo, che ha permesso la produzione di fogli leggeri molto sottili capaci di alta risoluzione e caratteristiche minuscole.

L'uso del laser a femtosecondi ha permesso al team di ricerca di mantenere un'intensità luminosa sufficiente per innescare la polimerizzazione del processo a due fotoni mantenendo le dimensioni dei punti sottili. Nella tecnica FP-TPL, gli impulsi a femtosecondi vengono allungati e compressi mentre passano attraverso il sistema ottico per implementare la messa a fuoco temporale. Il processo, che può generare caratteristiche 3D più piccole di quelle limitate dalla diffrazione, punto luminoso focalizzato, richiede che due fotoni colpiscano simultaneamente le molecole precursori liquide.

"Tradizionalmente, ci sono compromessi tra velocità e risoluzione, " Saha ha detto. "Se vuoi un processo più veloce, perderesti la risoluzione Abbiamo rotto questo compromesso ingegneristico, permettendoci di stampare 1000 volte più velocemente con le più piccole funzionalità."

Alla Georgia Tech, Saha intende continuare a portare avanti il ​​lavoro con nuovi materiali e un'ulteriore scalabilità del processo.

"Finora, abbiamo dimostrato che possiamo fare abbastanza bene in termini di velocità e risoluzione, " ha detto. "Le prossime domande saranno quanto bene possiamo prevedere le caratteristiche e quanto bene possiamo controllare la qualità su larga scala. Ciò richiederà più lavoro per comprendere il processo stesso".