Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och Heidelbergs universitet har utvecklat en fotoresist för två-foton mikroprinting. Den har nu använts för första gången för att producera tredimensionella polymermikrostrukturer med håligheter i nanoområdet. I Avancerade material , forskarna rapporterar hur porositeten kan kontrolleras under tryckning och hur detta påverkar mikrostrukturernas ljusspridningsegenskaper.

Fotoresister är tryckfärger som används för att skriva ut minsta mikrostrukturer i tre dimensioner med så kallad tvåfotonlitografi. Under utskrift, en laserstråle förflyttas i alla rumsliga riktningar genom den initialt flytande fotoresisten. Fotoresisten hårdnar endast i laserstrålens brännpunkt. Steg för steg, komplexa mikrostrukturer kan byggas på detta sätt. I ett andra steg, ett lösningsmedel används för att ta bort de områden som inte var utsatta för strålning. Komplexa polymerarkitekturer i mikrometer- och nanometerintervallen kvarstår.

Tvåfotonpolymerisation - eller tvåfotonmikrotryckning baserad på denna process - har studerats omfattande under några år nu, särskilt när det gäller produktion av mikrooptik, så kallade metamaterial, och mikroställningar för experiment med enstaka biologiska celler. För att utöka spektrumet av applikationer, nytt tryckbart material krävs. Detta är utgångspunkten för forskarna som är involverade i Cluster of Excellence 3-D Matter Made to Order (3DMM2O) vid KIT och Heidelberg University. "Med hjälp av konventionella fotoresister, det var möjligt att skriva ut transparent, endast glasartade polymerer, säger Frederik Mayer, fysiker vid KIT och huvudförfattare till studien. "Vår nya fotoresist möjliggör för första gången utskrift av 3D-mikrostrukturer från poröst nanoskum. Detta polymerskum har håligheter på 30 till 100 nm i storlek, som är fyllda med luft."

Från transparent till vit

"Det har aldrig funnits en fotoresist för 3-D laser mikroprinting, med vilket "vitt" material kan tryckas, " påpekar Frederik Mayer. Som i ett poröst äggskal, de många små lufthålen i de porösa nanoarkitekturen gör att de ser vita ut. Att blanda vita partiklar i en konventionell fotoresist skulle inte ha denna effekt, eftersom fotoresisten måste vara transparent för den (röda) laserstrålen under utskrift. "Vår fotoresist, Mayer säger, "är genomskinlig före utskrift, men de tryckta föremålen är vita och har en hög reflektivitet." Forskarna från Karlsruhe och Heidelberg visade detta genom att trycka en Ulbricht-sfär (en optisk komponent) lika fin som ett hårstrå.

En annan faktor som öppnar upp för nya applikationer är den extremt stora inre ytan på det porösa materialet. Det kan vara användbart för filtreringsprocesser på minsta utrymme, mycket vattenavvisande beläggningar, eller odling av biologiska celler.

Samarbetet mellan tre av de nio forskningsinsatserna i Cluster of Excellence avslöjade de användningsområden som den nya fotoresisten är lämpad för och hur den kan tillämpas på bästa möjliga sätt. Med hjälp av elektronmikroskopi och optiska experiment, forskare visade hur kaviteterna är fördelade i tryckta strukturer och hur deras bildning kan kontrolleras genom att variera utskriftsparametrarna och i synnerhet laserpulsernas intensitet. Arbetet i klustret av excellens utfördes av materialvetare från Heidelbergs universitet samt kemister och fysiker från KIT.