Två-fotonpolymerisation är en potentiell metod för nanotillverkning för att integrera nanomaterial baserade på femtosekundlaserbaserade metoder. Utmaningar inom området 3D nanoprinting inkluderar långsamt lager-för-lager-utskrift och begränsade materialalternativ som ett resultat av interaktioner mellan laser och materia.
I en ny rapport nu om Science Advances , Chenqi Yi och ett team av forskare inom teknologivetenskap, medicin och industriell ingenjörskonst vid Wuhan University China och Purdue University USA, visade en ny 3D nanoprinting-metod känd som free-space nanoprinting genom att använda en optisk kraftborste.
Detta koncept gjorde det möjligt för dem att utveckla exakta och rumsliga skrivvägar bortom optiska gränser för att bilda funktionella 4D-strukturer. Metoden underlättade snabb aggregation och stelning av radikaler för att underlätta polymerisation med ökad känslighet för laserenergi, för att ge hög noggrannhet, fritt utrymme målning ungefär som kinesisk penselmålning på papper.
Genom att använda metoden ökade de utskriftshastigheten för att framgångsrikt skriva ut en mängd olika bioniska muskelmodeller härledda från 4D-nanostrukturer med inställbara mekaniska egenskaper som svar på elektriska signaler med utmärkt biokompatibilitet.
Nanoenheter och nanostrukturer kan konstrueras med hög upplösning och hastighet för att bilda nästa generations produkter. Halvledarindustrin kan använda litografi, deponering och etsning för att skapa 3D-strukturer från en mängd olika material, även om den höga bearbetningskostnaden och det begränsade urvalet av material kan påverka flexibel tillverkning av 3D-strukturer av funktionella material.
Materialforskare har använt tvåfotonpolymerisationsbaserad femtosekundlaser direktskrivning för att skapa komplexa 3D-nanostrukturer med hjälp av mikro/nanopolymerer för att bilda fotoniska kvasikristaller, metamaterial och nanoarkitekturer.
Emellertid är denna metod fortfarande begränsad av en långsam utskriftshastighet, trappformiga ytstrukturer och begränsade fotohärdbara material. I detta arbete har Yi et al. undersökte laserskrivande i fritt utrymme för att analysera hur det ger fotokemiska krafter för att åstadkomma penselbaserad nanomålning med optisk kraft.
Friutrymmesmålning med femtosekundlaser
När tidsskalorna når femtosekunden kan molekyler absorbera fotonen för excitation till ett elektroniskt högre tillstånd med en frånstötande potentiell energiyta, för att generera fria radikaler.
Forskare kan använda multifotonabsorptionsmekanismer för att absorbera ultrakort pulsfotonenergi i molekyler och aktivera elektronövergång mellan marken och exciterat tillstånd. Yi och kollegor bestrålade aktiva radikaler med en femtosekundlaser för att de optiska krafterna snabbt skulle aggregera dem och syntetisera till makromolekyler för att snabbt fullborda stelningen utan efterbearbetning, samtidigt som den termiska rörelsen av lösningsmedelsmolekylerna minimerades.
Forskarna utvecklade ett hydrogelbaserat bläck som en fotoswitch som aktiveras vid femtosekundlaserskrivning genom tvåfotonabsorption, där radikaler i gelén absorberade fotonenergi från femtosekundlasern. Medan fria radikaler bildade bindningsenergi i molekylerna kopplade teamet de långkedjiga molekylerna till olika funktionella grupper för en mängd olika tillämpningar.
Det utskrivbara hydrogelbaserade bläcket erbjöd mycket biokompatibla, elastiska och flexibla förhållanden för flera tillämpningar av nanostrukturer med fritt utrymme inom biomedicin.
Handlingsmekanism
Laserstrålen rörde sig fritt i lösning ungefär som en penna i rymden och involverade tre steg:aktivering, aggregering och stelning av fria radikaler. Forskarna odlade polymerisationshastigheterna för tvåfotonpolymerisation och optisk kraftborste separat med en multifysikmodell.
Tillvägagångssättet förbättrade avsevärt effektiviteten hos skrivstrukturen genom en skikt-för-skikt, rad-för-rad-utskriftsmetod, där antalet skikt direkt korrelerade med tjockleksupplösningen. Metoden underlättade också avsevärt förbättrad 3D nanostruktur skriveffektivitet och noggrannhet. De förfinade de experimentella resultaten för att visa hur den optiska kraften som applicerades på de fria radikalerna var direkt relaterad till antalet pulser, laserfältets intensitet och dess absorptionskoefficient.
När femtosekundlasern bestrålade materialet byttes den kinetiska energin från fotonerna ut med de aktiva fria radikalerna för att röra sig av den optiska kraften, vilket så småningom resulterade i skarp och högupplöst 3D-nanoprinting. Teamet studerade de grundläggande mekanismerna bakom dessa processer genom numeriska simuleringar via multifysiska simuleringar för att undersöka radikalernas rörelse och sammansatta process.
Den här metoden gjorde det möjligt för Yi och kollegor att skriva ut muskel-, mag- och senorvävnader som består av flerskiktade kapslingar av fibrer och fiberbuntar som är svåra att skriva ut via traditionella 3D-utskriftsmetoder. Teamet tryckte ut muskelns inre och yttre form, samtidigt som de aktiverade dess rörelse via elektrisk stimulering med ett funktionellt hydrogelbaserat bläck. Detta resulterar i det första fallet att man samtidigt uppnår både strukturell och funktionell bionisk nanoprinting.
Forskarna demonstrerade strukturen av råtthamstringens sena och mage tryckt med optisk kraftborste och lager-för-lager-metod. Metoderna visade potentialen att skriva ut flerskiktsstrukturer i 3D-rymden, medan muskelfibertjockleken blev tunn till tjock för att ge en mängd olika funktioner.
Forskarna visade möjligheten att helt implantera mikro- och nanostrukturerna i en organism för att realisera funktionella och strukturella biostrukturer i denna skala. Denna fritt utrymmestryckningsmetod genom optisk kraftborsteteknik öppnar möjligheter att tillämpa multifunktionella mikro- och nanostrukturer inom biologin.
Outlook
På detta sätt använde Chenqi Yi och kollegor optisk kraftborste som en metod som integrerade femtosekundlaserpensel för att skriva ut funktionella strukturer med sann 3D-frihet. Den optiska kraftborsten har unika möjligheter med en underliggande process av optisk kraftaktiverad nanomålning, för att underlätta en ultrahög stelningshastighet, låg stelningströskel och hög känslighet för laser för att exakt reglera tryckprocessen. Känsligheten gjorde det möjligt för dem att noggrant reglera och skapa intrikata strukturer med fina detaljer.
Detta resulterade i verklig 3D-utskriftsfrihet för kontinuerlig utskrift och sömlösa övergångar mellan olika plan. Arbetet undersökte vidare mekanismerna för optiska krafter för nanotryck i fritt utrymme under användning av optiska kraftborstar. Detta inkluderade interaktioner mellan femtosekundlasern och fria radikaler i hydrogelbläckets fotoomkopplare; en mekanism som också utforskas genom numeriska simuleringar.
Forskningen betonade kapaciteten hos den optiska kraftborsten att utveckla bioniska funktionella strukturer och bana väg för ytterligare studier inom vävnadsteknik och regenerativ medicin med banbrytande egenskaper.
Mer information: Yi C. et al, Optisk kraftpensel möjliggjorde målning av fritt utrymme av funktionella strukturer i 4D, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg0300
Ergin T. et al. Tredimensionell osynlighetsmantel vid optiska våglängder, Science (2023). DOI:10.1126/science.1186351
Journalinformation: Vetenskap , Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
