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走近科学:解开纳米级3D打印的秘密
发布:lee_9124   时间:2018/1/6 16:36:53   阅读:3552 
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图为LLNL的研究人员打印出的人头发粗细的亚微米木垛晶格。资料来源:LLNL实验室的Jacob Long and Adam Connell
 
美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员已经研发了新的方法来扩展双光子光刻(TPL)的能力,TPL是一种具有高分辨率的3D打印技术,能够产生比人头发直径的百分之一还细的纳米级材料。
 
该研究最近发表在了“ACS Applied Materials & Interfaces”杂志上。该研究结果揭示了X射线的计算机断层扫描(CT)在嵌入式3D打印医疗器械或植入物中对压力以及缺陷进行无创分析的潜力。
 
双光子光刻通常需要一个薄的载玻片,一个透镜以及浸镜油,以帮助激光聚焦到一个很好的地方进行固化和印刷。它与其他3D打印方法在分辨率上有所不同,因为它可以生成比激光点更小的物质,这是一种其他打印都无法比拟的尺寸。该技术克服了其他方法所共有的衍射极限,因为光致抗蚀剂材料通过固化和硬化所产生结构能同时吸收两个光子而不是一个,而这在以前都是商业机密。
 
在本论文中,LLNL的研究人员对双光子光刻技术的代码进行优化,使优化的抗蚀剂材料上生成小于150纳米的3D微结构。之前的技术都是先磨成粉再开始构建结构,因为载玻片和透镜之间的距离通常小于或等于200微米,所以限制了物体的高度。而现在,通过将抗蚀剂材料直接覆在镜头上,并利用抗蚀剂使激光聚焦,在它的头部开启转换,使研究人员现在可以打印高度为几毫米的物体。此外,研究人员能够调整和增加光致抗蚀剂材料吸收X射线的量,使得用于该技术的光致抗蚀剂量减少到常规的十分之一。
 
 
 
 
图为LLNL的研究人员在一个坚实的底座上打印了亚微米的八角形桁架结构,其直径类似于人体头发的粗细。资料来源:LLNL实验室的James Oakdale
 
James Oakdale是该论文的合著者也是LLNL研究室的研究员,他解释道:“在本论文中,我们解开了使用双光子光刻技术刻制材料,并不会失去分辨率的秘密。”
 
由于激光在穿过光致抗蚀剂材料时发生折射,研究人员表明,解决这一难题的关键是“折射率拟合” ,即发现如何使抗蚀剂材料的折射率与透镜的浸润介质相匹配,从而使激光可以畅通无阻。他们表示,折射率拟合使得打印较大零件的可能性增大,使得大零件也具有与100纳米大小的零件相同的特征。
 
该论文的第一作者Sourabh Saha说:“大多数研究人员希望使用双光子光刻技术打印出高于100微米的功能性三维结构。通过这些折射率拟合的抗蚀剂,你可以打印出任何你想要的高度的结构,唯一的不足就是速度。这可以看做是一个折衷,但既然我们研发了这项技术,那我们就可以对其进行诊断和改进。”
 
 
 
 
图中所示的是研究人员通过双光子光刻(TPL)3D打印技术打印出具有人头发直径的几分之一的亚微米木垛晶格。资料来源:LLNL实验室的James Oakdale
 
通过调整材料对X射线的吸收,研究人员可以使用X射线计算机断层扫描作为诊断工具来对部件的内部进行成像,而不需要将嵌入体内的3D打印体,如支架 ,关节置换或骨支架切开来进行研究。这些技术也可用于生产和研究国家点火装置,光学机械超材料和3-D打印电化学电池的内部结构。
 
唯一的缺陷是建立需要一些时间,所以研究人员接下来会寻求使其平行化并加速这个过程的方案。他们打算在将来使用这种技术来构建真正的,具有关键作用部件,从而进入更小的部件并增加更多的功能。
 
Saha说:“这是我们解决难题中的一小部分,但是我们现在更有信心用自己的能力开始在这个领域上大有一番作为。现在我们知道各种类型的应用,并且都有潜在解决方案。我们在越来越大的结构中拓展越来越小的功能,使我们更接近世界各地的科学家们所进行科学研究的前沿。在应用方面,我们正在开发新型实用的打印方式。”
 

来源:材料科技在线
 
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