Согласно новому исследованию, используя голограммы, наноразмерный 3D-принтер теперь может быстро изготавливать сложные предметы с деталями меньше длины волны видимого света. Это исследование может быстро производить нанотехнологические массивы проводов, линз, вращающихся магнитных шестерен и других структур, предлагая приложения в электронике, фотонике, микроробототехнике и многом другом.
В настоящее время наиболее точным методом 3D-печати для изготовления наноразмерных объектов сложной формы, вероятно, является двухфотонная литография. Этот подход основан на жидких смолах, которые затвердевают только тогда, когда они поглощают два фотона света одновременно, а не только один. Это позволяет точно изготавливать элементы с вокселами — трехмерным эквивалентом пикселей — размером всего несколько десятков нанометров.
Однако двухфотонная литография оказалась слишком медленной и дорогой для крупномасштабных практических приложений. Это в значительной степени сделало его дорогим лабораторным инструментом для производства микроскопических прототипов.
Новый метод позволяет создавать сложные микроскопические трехмерные объекты, такие как буквы, цифры, кольца, линзы и шестерни, которыми можно дистанционно управлять с помощью магнитного поля.
Предыдущие исследования стремились разделить лазерный луч, используемый в двухфотонной литографии, на несколько фокусных точек, чтобы ускорить производство. Тем не менее, эта стратегия обычно по-прежнему обеспечивает скорость печати всего около 10 000 вокселей в секунду и менее 0,1 кубического миллиметра в час. Более того, этот подход обычно не позволяет контролировать фокус каждого отдельного лазера и, следовательно, не может создавать сильно изменчивые структуры.
Теперь новый метод двухфотонной литографии позволяет печатать наноразмерные трехмерные объекты со скоростью до 2 миллионов вокселей в секунду и от 4,5 до 54 кубических миллиметров в час. Кроме того, они достигли разрешения до 90 нанометров, что является лучшим показателем для высокопроизводительной двухфотонной литографии, отметили ученые. Кроме того, новый процесс команды может одновременно использовать до 2000 индивидуально программируемых лазерных фокусов для изготовления сложных структур, которые наиболее часто используются в высокопроизводительной двухфотонной литографии, добавили они.
«Увеличение пропускной способности означает, что стоимость существенно снижена, и теперь технология может использоваться для промышленных приложений по более разумной цене и скорости производства», — говорит старший автор исследования Ши-Чи Чен, ученый-оптик и инженер-механик в Китайский университет Гонконга.
Для отверждения смолы, используемой в двухфотонной литографии, требуется чрезвычайно высокая интенсивность лазера. Использование нескольких лазерных фокусов увеличивает требуемую мощность лазера, а лазеры, обычно используемые в двухфотонной литографии, едва могут обеспечить мощность, необходимую для поддержки более 50 фокусов. Напротив, в новом методе использовался лазер ближнего инфракрасного диапазона с пиковой мощностью примерно 10 гигаватт.
Обычно двухфотонная литография основана на фокусах, которые получают около 10 000 маломощных лазерных импульсов, чтобы полностью затвердеть воксел. Однако в новой методике используется лазер, который работает в десятки и сотни тысяч раз медленнее, чем лазеры, обычно используемые в двухфотонной литографии. Чтобы компенсировать это, новая техника использует один импульс для закрепления каждого вокселя. По словам ученых, это потребовало значительных изменений со светочувствительной смолой, чтобы оптимизировать качество печати.
«Мы достигли наилучшего разрешения при одноимпульсной экспозиции, что полностью противоположно традиционному подходу к достижению высокого разрешения, то есть низкой средней мощности и длительному времени экспозиции», — говорит Чен.
Новый метод запускает тысячу 100-фемтосекундных импульсов в секунду, отражая эти импульсы от цифрового микрозеркального устройства, отображающего голограмму. Ученые могли использовать голограмму, чтобы разделить каждый лазерный импульс на 2000 фокусов с индивидуально контролируемой силой, местоположением и фазой, которые могли бы работать одновременно параллельно.
В экспериментах исследователи показали, что их новый метод может создавать сложные микроскопические трехмерные объекты, такие как буквы, цифры, кольца, линзы и структуры, похожие на взбивалки. Они также изготовили магнитные шестерни, которыми можно было дистанционно управлять, применяя магнитное поле.
Эти 14 изображений показывают диапазон наноструктур, которые можно изготовить с помощью новой голографической техники, в том числе магнитные наноразмерные зубчатые колеса, которые можно дистанционно перемещать с помощью приложения магнитного поля. [insets m and n].Китайский университет Гонконга
В новом исследовании ученые также показали, что они могут изменять мощность лазера каждого фокуса для достижения 11 различных уровней интенсивности. Этот «управление шкалой серого» может найти применение для настройки твердости и механических свойств каждого вокселя. Ученые отметили, что новый метод отображал управление шкалой серого с точностью более 99 процентов, что является самым высоким показателем, когда-либо наблюдаемым в параллельной двухфотонной литографии.
Кроме того, исследователи сообщили, что новый метод обеспечивает самую высокую энергоэффективность в двухфотонной литографии. В то время как другие методы требуют рабочей мощности примерно от 1,5 до 4 Вт, новый метод требует только средней мощности 400 мВт для работы 2000 фокусов.
Одним из потенциальных применений наноразмерной 3D-печати является изготовление метаструктур — материалов, структуры которых обладают повторяющимися узорами в масштабах, меньших, чем длина волны любой силы, на воздействие которой они предназначены. Оптические метаструктуры, предназначенные для управления электромагнитным излучением, могут неожиданным образом преломлять свет, в результате чего появляются плащи-невидимки и другие устройства.
Одной из самых больших проблем при исследовании метаструктур является изготовление объектов, содержащих субэлементы размером менее микрометра, но в целом во много тысяч раз превышающие их субэлементы. В ходе экспериментов ученые показали, что их новая техника может создавать сетку размером примерно 1 кубический миллиметр, состоящую из более чем 680 000 ячеек с элементами размером до 700 нанометров.
В настоящее время исследователи изучают возможность использования ИИ для создания оптимальных производственных процедур с помощью своей новой техники. Цель состоит в том, чтобы продукты «имели лучшую структурную целостность, прочность и однородность», — говорит Чен.
Ученые подробно рассказали о своих выводах онлайн 27 марта в журнале Связь с природой.
Из статей вашего сайта
Связанные статьи в Интернете
