Från hus till hörapparater, tredimensionell (3D) utskrift revolutionerar hur vi skapar komplexa strukturer i stor skala. Genom att zooma ner till mikro- och nanonivåer, gör en process känd som tvåfotonpolymerisationslitografi (TPL) det möjligt för forskare och ingenjörer att konstruera objekt med mikroskopisk precision, vilket har omfattande konsekvenser för industrier, allt från medicin till tillverkning.

Inom datorer och kommunikation, till exempel, kan TPL användas för att utveckla nya optiska material, såsom fotoniska kristaller som kan manipulera ljus på nya sätt. Men trots sitt löfte finns det fortfarande vissa utmaningar för att fullt ut utnyttja dess potential. Den främsta bland dessa är utmaningen att uppnå enhetlig krympning och egenskaper under våglängden för synligt ljus, vilket är viktigt när det gäller avancerad ljusmanipulation.

För att ta itu med denna utmaning, introducerade ett team av forskare ledda av professor Joel Yang från Singapore University of Technology and Designs (SUTD) Engineering Product Development-pelare – i samarbete med sina motsvarigheter från Industrial Technology Center i Wakayama Prefecture i Japan – en ny metod som säkerställer jämn krympning av 3D-printade strukturer när de värmebehandlas. Detta förfinar användningen av TPL ytterligare för att producera funktioner i nanoskala med hög precision.

Deras forskningsartikel, "Pick and place process for uniform shrinking of 3D-printed micro- och nano-architected materials," publicerades i Nature Communications .

I sin studie använde forskarna ett lager av poly(vinylalkohol), eller PVA, på utskriftssubstratet för att underlätta 3D-utskrivna delar att tvättas bort och överföras till ett separat substrat, vilket möjliggör kontrollerad och enhetlig reduktion av 3D-tryckta delar. Den lösa infästningen på det nya substratet gör att basen av strukturerna kan glida när den övergripande 3D-utskriften krymper jämnt under uppvärmning.

Detta enkla men effektiva tillvägagångssätt kringgår problemet med ojämn krympning orsakad av fastsättningen av strukturen på ytan på vilken den trycktes. Det öppnar också för möjligheter att överföra mikroskopiska 3D-utskrivna delar för integration med andra enheter, eller till substrat som inte är lämpliga för TPL.

Yang hämtade inspiration från naturen för denna teknik och sa:"Precis som daggmaskar sträcker sig och drar ihop sig för att röra sig över ytor, trodde vi att vi kunde göra det möjligt för våra 3D-strukturer att "glida" till en mindre storlek utan förvrängning."

Enligt Tomohiro Mori, första författare till artikeln och gästforskare från Industrial Technology Center i Wakayama Prefecture, "Den komplexa geometrin hos Wakayama-prefekturens maskot - med dess olika kurvor, stötar och fall - gjorde den till ett idealiskt ämne för att visa upp vår tekniks effektivitet Framgångsrik enhetlig krympning av en så detaljerad modell tyder på att vår metod skulle kunna anpassas för vilken form som helst, oavsett dess form eller soliditeten hos plattformen den är placerad på."

Teamets tillvägagångssätt möjliggör skapandet av fint detaljerade strukturer som överträffar vad deras utskriftsutrustning ursprungligen kan producera, och bryter igenom tidigare barriärer för upplösning och materialstyvhet förknippade med 3D-utskrivna objekt.

Genom att utnyttja denna nya krympningsprocess kan forskarna också förfina egenskaperna hos 3D-printade strukturer i en sådan utsträckning att de kan fungera i nya roller, som visuella indikatorer på grund av deras förmåga att visa strukturella färger. Ännu viktigare är att dessa färger inte beror på färgämnen utan härrör från materialets inre struktur, som, när den minskar i storlek, interagerar med ljus på ett sätt som förändrar dess utseende.

Detta introducerar nya funktioner i material. "Till exempel, att införliva vissa molekyler som kallas kromoforer, som är känsliga för olika typer av ljus, i strukturerna, kan tillåta oss att konstruera material som ändrar färger som svar på specifika ljusförhållanden," förklarade Yang. "Detta har praktiska tillämpningar inom anti-förfalskning, där föremål kan verifieras som äkta genom distinkta strukturella färger och emissionsegenskaperna hos dessa material."

Tekniken som utvecklats av forskargruppen är lovande inom industrier som elektronik, där den kan användas för att tillverka invecklade kylflänsar som behövs för att kyla högpresterande enheter som toppmoderna GPU:er och CPU:er.

Den konsekventa krympningen av tryckta komponenter öppnar också för applikationer inom områden som kräver hög tillförlitlighet i materialstrukturering, såsom mekaniska delar med komplexa geometrier, optiska element med exakta ljusmanipuleringsmöjligheter och akustiska enheter som kan kontrollera ljud med större noggrannhet.

Framöver planerar forskarna att utöka tillämpningarna av sin teknik utöver det nuvarande polymera hartsmaterialet som används i deras studie. Genom att tillämpa sin metod på material med högre brytningsindex strävar de efter att skapa mer effektiva fotoniska kristaller, vilket skulle kunna förbättra teknologier i lasrar, bildsystem och optiska sensorer.

Dessutom arbetar forskargruppen också med att finjustera kontrollen av avstånd i tryckta strukturer för att producera 3D-modeller i fullfärg som exakt kan styra hur ljuset manipuleras. Detta inkluderar ansträngningar att överföra och korrekt positionera dessa strukturer över stora ytor eller i betydande kvantiteter, och bibehålla den höga precision som krävs för dessa avancerade applikationer.

Mer information: Tomohiro Mori et al, Välj och placera process för enhetlig krympning av 3D-tryckta mikro- och nanoarkitekter, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41535-9

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Singapore University of Technology and Design