Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har upptäckt nya sätt att utöka kapaciteten hos tvåfotonlitografi (TPL), en högupplöst 3D-utskriftsteknik som kan producera nanoskaliga detaljer som är mindre än en hundradel av ett människohår.

Resultaten, nyligen publicerad på tidskriftens omslag ACS tillämpade material och gränssnitt , släpper också ut potentialen för röntgentomografi (CT) för att analysera stress eller defekter icke-invasivt i inbäddade 3D-tryckta medicintekniska produkter eller implantat.

Tvåfotonlitografi kräver vanligtvis en tunn glasskiva, en lins och en immersionsolja för att hjälpa laserljuset att fokusera till en fin punkt där härdning och utskrift sker. Det skiljer sig från andra 3D-utskriftsmetoder i upplösning, eftersom den kan producera funktioner som är mindre än laserljuspunkten, en skala som ingen annan tryckprocess kan matcha. Tekniken kringgår den vanliga diffraktionsgränsen för andra metoder eftersom fotoresistmaterialet som härdar och härdar för att skapa strukturer - tidigare en affärshemlighet - samtidigt absorberar två fotoner istället för en.

I tidningen, LLNL-forskare beskriver att knäcka koden på resistmaterial optimerade för tvåfotonlitografi och att bilda 3D-mikrostrukturer med funktioner mindre än 150 nanometer. Tidigare tekniker byggde strukturer från grunden, begränsar höjden på föremål eftersom avståndet mellan glasskivan och linsen vanligtvis är 200 mikron eller mindre. Genom att vända processen på huvudet - sätta resistmaterialet direkt på linsen och fokusera lasern genom resisten - kan forskare nu skriva ut föremål på flera millimeter i höjd. Vidare, forskare kunde ställa in och öka mängden röntgenstrålar som fotopolymeren motstår kunde absorbera, förbättra dämpningen med mer än 10 gånger jämfört med fotoresisterna som vanligtvis används för tekniken.

"I det här pappret, vi har låst upp hemligheterna för att göra anpassade material på tvåfoton-litografisystem utan att förlora upplösning, " sa LLNL-forskaren James Oakdale, en medförfattare på tidningen.

Eftersom laserljuset bryts när det passerar genom fotoresistmaterialet, nyckeln till att lösa pusslet, forskarna sa, var "indexmatchning" – upptäckte hur man matchar resistmaterialets brytningsindex med linsens nedsänkningsmedium så att lasern kunde passera obehindrat. Indexmatchning öppnar möjligheten att skriva ut större delar, de sa, med funktioner så små som 100 nanometer.

"De flesta forskare som vill använda tvåfotonlitografi för att skriva ut funktionella 3D-strukturer vill ha delar högre än 100 mikron, "sa Sourabh Saha, tidningens huvudförfattare. "Med dessa indexmatchade resists, du kan skriva ut strukturer så höga du vill. Den enda begränsningen är hastigheten. Det är en avvägning, men nu när vi vet hur man gör detta, vi kan diagnostisera och förbättra processen. "

Genom att justera materialets röntgenabsorption, forskare kan nu använda röntgenberäknad tomografi som ett diagnostiskt verktyg för att avbilda insidan av delar utan att klippa upp dem eller för att undersöka 3D-tryckta föremål inbäddade i kroppen, såsom stentar, ledproteser eller benställningar. Dessa tekniker kan också användas för att producera och undersöka den interna strukturen av mål för National Ignition Facility, samt optiska och mekaniska metamaterial och 3-D-printade elektrokemiska batterier.

Den enda begränsande faktorn är den tid det tar att bygga, så forskare kommer nästa att försöka parallellisera och påskynda processen. De har för avsikt att gå in i ännu mindre funktioner och lägga till mer funktionalitet i framtiden, använda tekniken för att bygga verkliga, uppdragskritiska delar.

"Det är en mycket liten pusselbit som vi löste, men vi är mycket mer säkra på våra förmågor att börja spela på detta område nu, " Saha sa. "Vi är på en väg där vi vet att vi har en potentiell lösning för olika typer av applikationer. Vår strävan efter mindre och mindre funktioner i större och större strukturer tar oss närmare framkant inom vetenskaplig forskning som resten av världen gör. Och på applikationssidan, vi utvecklar nya praktiska sätt att skriva ut saker på."