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聚焦纳米级3D打印 美发现改进双光子光刻新方法


来源:中国智能制造网   作者:刘涛   发布时间:2018-01-12

  日前,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室找到一种改进双光子光刻的纳米级3D打印技术,可以帮助医生进行X射线CT扫描,分析人体内的3D打印植入物。研究人员相信3D打印过程将有一天会被用来生产关键部件。

  聚焦纳米级3D打印 美发现改进双光子光刻新方法

  近日,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员已经找到了一种改进双光子光刻(TPL)的方法,这是一种纳米级3D打印技术。这项研究可以帮助医生进行X射线CT扫描,分析人体内的3D打印植入物。

  与大多数激光3D打印技术不同,其分辨率受3D打印机激光点的大小限制,双光子光刻技术可将打印分辨率降至最低。这是因为TPL使用光致抗蚀剂材料,其同时吸收两个光子而不是一个光子。

  LLNL的研究人员最近通过对3D打印过程中使用的抗蚀剂材料进行研究,并有了一些重要的发现,找到了大幅度拓宽TPL功能的方法。他们的发现是将整个过程颠倒过来-将抗蚀剂材料直接应用到镜头上,并将3D打印机的激光器通过抗蚀剂进行聚焦,可以打印出尺寸小于150纳米但高度仍为几毫米的三维微结构。

  LLNL研究员James Oakdale说:“在本文中,我们解开了在双光子光刻系统上定制材料而不会失去分辨率的秘密。”

  但这只是LLNL团队的研究项目的开始。研究人员还发现,除了通过翻转部分3D打印系统大幅提高TPL的分辨率之外,他们还可以将3D打印过程中使用的光敏聚合物抗蚀剂的衰减提高10倍以上,增加(或减少)抗蚀剂能够吸收的X射线。

  这是通过“折射率匹配”使得抗蚀剂材料的折射率与透镜的浸入介质匹配成为可能,从而允许3D打印机的激光以最小的干扰通过。通过部署这种指数匹配技术,LLNL团队表示,TPL最终可用于3D打印更大的部件,且具有小至100纳米的特征。

  由于科学家们一直在寻找3D打印部件的最佳方法,而且要求分辨率非常好,尺寸足够大,功能性增加,这对于TPL拓展范围可能会有很大的实际意义。

  该论文的第一作者Sourabh Saha说:“大多数希望使用双光子光刻来打印功能性三维结构的研究人员需要高于100微米的部件,通过这些匹配的抗蚀剂,您可以打印符合您要求高度的结构。”

  Saha承认,唯一的限制就是TPL流程的速度。但是现在研究人员已经掌握了如何修改和改进这个过程,他们有信心能够“诊断和改进”这个过程。

  对于LLNL研究人员来说,新调整的抗蚀剂X射线吸收能力还有另一个重要的连锁效应。通过制作吸收更多X射线的3D打印物体,研究人员理论上可以制作3D打印植入物,使用外部X射线CT扫描仪或其他成像设备可以更容易地检查在人类身体中的3D打印植入物。

  由于3D打印植入物的调谐特性使其对CT扫描仪高度可见,因此医生不需要移除这种植入物以查看是否具有例如内部缺陷等问题。

  这些可调谐材料也有药用之外的用途。研究人员说,优化的TPL过程可用于建立(然后检查)国家点火设施目标的内部结构,LLNL的大型激光惯性约束聚变(ICF)研究装置,可用于实现聚变点火。

  该过程的其他用途可以包括光学和机械超材料的3D打印和3D打印电化学电池。

  但是,现在的重点是通过并行化来加快打印过程,最终实现更小的功能和更高的功能。研究人员相信3D打印过程将有一天会被用来生产关键部件。

  Saha说:“这是我们解决的难题中的一小部分,但是我们现在更有信心开始在这个领域进行研究。我们在越来越大的结构中推动越来越小的特征,使我们更接近世界其他地方正在进行的科学研究的前沿。而在应用方面,我们正在开发新的实用打印方式。”

  据悉,该创新研究的结果已于最近发表在“ACS应用材料和接口”杂志上。

  


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