Med hjälp av en ny tidsbaserad metod för att styra ljus från en ultrasnabb laser, Forskare har utvecklat en 3D-utskriftsteknik i nanoskala som kan tillverka små strukturer 1000 gånger snabbare än konventionella tvåfotonlitografitekniker (TPL). utan att offra beslutsamhet.

Trots den höga genomströmningen, den nya parallelliserade tekniken – känd som femtosekundprojektion TPL (FP-TPL) – ger en djupupplösning på 175 nanometer, vilket är bättre än etablerade metoder och kan tillverka strukturer med 90-graders överhäng som för närvarande inte kan göras. Tekniken kan leda till tillverkning i stor skala av bioställningar, flexibel elektronik, elektrokemiska gränssnitt, mikrooptik, mekaniska och optiska metamaterial, och andra funktionella mikro- och nanostrukturer.

Arbetet, rapporterade 3 okt i journalen Vetenskap , gjordes av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och The Chinese University of Hong Kong. Sourabh Saha, tidningens huvudman och motsvarande författare, är nu biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology.

Befintliga tillsatstillverkningstekniker i nanoskala använder en enda punkt av högintensivt ljus - vanligtvis runt 700 till 800 nanometer i diameter - för att omvandla fotopolymermaterial från vätskor till fasta ämnen. Eftersom punkten måste skanna igenom hela strukturen som tillverkas, den befintliga TPL-tekniken kan ta många timmar att producera komplexa 3D-strukturer, vilket begränsar dess förmåga att skalas upp för praktiska tillämpningar.

"Istället för att använda en enda ljuspunkt, vi projicerar en miljon poäng samtidigt, ", sa Saha. "Detta skalar upp processen dramatiskt eftersom istället för att arbeta med en enda punkt som måste skannas för att skapa strukturen, vi kan använda ett helt plan av projicerat ljus. Istället för att fokusera en enda punkt, vi har ett helt fokuserat plan som kan mönstras till godtyckliga strukturer."

För att skapa en miljon poäng, forskarna använder en digital mask som liknar dem som används i projektorer för att skapa bilder och videor. I detta fall, masken styr en femtosekundlaser för att skapa det önskade ljusmönstret i prekursorns flytande polymermaterial. Det högintensiva ljuset orsakar en polymerisationsreaktion som gör vätskan till fast, där så önskas, för att skapa 3D-strukturer.

Varje lager av den tillverkade strukturen bildas av en 35-femtosekunds skur av högintensivt ljus. Projektorn och masken används sedan för att skapa lager efter lager tills hela strukturen är producerad. Den flytande polymeren avlägsnas sedan, lämnar bakom det fasta. FP-TPL-tekniken gör det möjligt för forskarna att på åtta minuter producera en struktur som skulle ta flera timmar att producera med hjälp av tidigare processer.

"Det parallella tvåfotonsystemet som har utvecklats är ett genombrott inom nanoskalautskrift som kommer att möjliggöra den anmärkningsvärda prestandan i material och strukturer i denna storleksskala att realiseras i användbara komponenter, "säger LLNL:s centrum för konstruerade material och tillverkningschef Chris Spadaccini.

Till skillnad från konsument 3-D-utskrift som använder partiklar sprutade på en yta, den nya tekniken går djupt in i den flytande prekursorn, tillåta tillverkning av strukturer som inte kunde produceras med yttillverkning ensam. Till exempel, tekniken kan producera vad Saha kallar en "omöjlig bro" med 90-graders överhäng och med mer än en 1, 000:1 bildförhållande mellan längd och funktionsstorlek. "Vi kan projicera ljuset till vilket djup som helst i materialet, så vi kan göra upphängda 3D-strukturer, " han sa.

Forskarna har tryckt upp hängande strukturer en millimeter långa mellan baser som är mindre än 100 mikron gånger 100 mikron. Strukturen kollapsar inte medan den tillverkas eftersom vätskan och fastämnet är ungefär samma densitet - och produktionen sker så snabbt att vätskan inte hinner störas.

Bortom broar, forskarna gjorde en mängd olika strukturer utvalda för att demonstrera tekniken, inklusive mikropelare, kuboider, stockhögar, trådar och spiraler. Forskarna använde konventionella polymerprekursorer, men Saha tror att tekniken också skulle fungera för metaller och keramik som kan genereras från prekursorpolymerer.

"Den verkliga applikationen för detta skulle vara i industriell produktion av små enheter som kan integreras i större produkter, såsom komponenter i smartphones, ", sa han. "Nästa steg är att visa att vi kan skriva ut med andra material för att utöka materialpaletten."

Forskargrupper har arbetat i flera år för att påskynda den tvåfotonlitografiprocess som används för att producera 3D-strukturer i nanoskala. Framgången för denna grupp kom från att anamma ett annat sätt att fokusera ljuset, använder sina tidsdomänegenskaper, som möjliggjorde produktion av mycket tunna lätta ark med hög upplösning och små funktioner.

Användningen av femtosekundlasern gjorde det möjligt för forskargruppen att bibehålla tillräckligt med ljusintensitet för att utlösa polymerisationen av två fotonprocesser samtidigt som punktstorlekarna hölls tunna. I FP-TPL-tekniken, femtosekundpulserna sträcks ut och komprimeras när de passerar genom det optiska systemet för att implementera temporal fokusering. Processen, som kan generera 3D-funktioner som är mindre än den diffraktionsbegränsade, fokuserad ljuspunkt, kräver att två fotoner träffar de flytande prekursormolekylerna samtidigt.

"Traditionellt, det finns avvägningar mellan hastighet och upplösning, "Saha sa." Om du vill ha en snabbare process, du skulle tappa upplösningen. Vi har brutit denna tekniska kompromiss, så att vi kan skriva ut 1000 gånger snabbare med de minsta funktionerna. "

På Georgia Tech, Saha har för avsikt att fortsätta att föra fram arbetet med nya material och ytterligare uppskalning av processen.

"Än så länge, vi har visat att vi kan göra ganska bra på hastighet och upplösning, " sade han. "Nästa frågor kommer att vara hur väl vi kan förutsäga funktionerna och hur väl vi kan kontrollera kvaliteten över stora skalor. Det kommer att kräva mer arbete för att förstå själva processen."