Новый метод 3D-печати для оптики, фотоники и биомедицины

Новый метод 3D-печати для оптики, фотоники и биомедицины

Выпуск 18(6692) от 12 сентября 2019 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

Инженеры из Университета Мэриленда создали новую многокомпонентную технологию трехмерной нанопечати.

Новая методика Университета Мэриленда (США) позволяет печатать крошечные многокомпонентные структуры размером с человеческий волос. Преимущества – ​высокая скорость и точность трехмерной печати сложных структур в сочетании с низкой стоимостью. В основе – ​простая методика литья, широко применяемая в лабораториях микрофлюидики.

С помощью предложенного подхода исследователи напечатали трехмерные нанокомпоненты, сочетающие несколько материалов: микровиолончель, микрологотип Университета Мэриленда (из четырех материалов), модель спирали ДНК (из пяти материалов).

Решения на основе микроструктур с несколькими материалами обладают расширенным функционалом. Каждый из применяемых в трехмерных наноструктурах материалов обладает целевыми химическими, биологическими, электрическими, оптическими и механическими свойствами. Их применение перспективно с точки зрения развития передовой оптики, метатехнологий, материаловедения, микроробототехники, систем доставки лекарств.

Пример использования нового подхода – ​совместное исследование Лаборатории биоинспирированного передового производства (Bioinspired Advanced Manufacturing, BAM) и Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов Министерства здравоохранения и социальных служб США, направленное на создание трехмерных наноэлементов человеческого глаза со сложной анатомией и разнообразием оптических свойств. Первые результаты исследования были представлены на Международной конференции по микроэлектромеханическим системам в Сеуле (Республика Корея) в январе 2019 г.

Исследования методов создания трехмерных наноструктур на основе сочетания нескольких материалов активизировались в последнее десятилетие. Ограничивающие факторы в развитии данного направления – ​высокие временные, финансовые и трудовые затраты. В большинстве случаев использовалось только два материала.

В отличие от предыдущих исследований подход Университета Мэриленда позволяет расширить количество материалов, интегрируемых между собой в процессе создания трехмерных структур, обеспечить высокую скорость печати и возможность работы в наномасштабах.

Другой пример развития исследований в сфере трехмерной нанопечати – ​патентные заявки Школы Кларка (шт. Массачусетс, США) на методику прямого лазерного письма. Трехмерная нанопечать структур на основе нескольких материалов осуществляется внутри микроканалов. Каждый используемый жидкий материал загружается в микроканалы по отдельности для обеспечения оптимальных параметров печати в соответствии со спецификой конкретного материала. После завершения процесса печати микроканалы извлекаются, оставляя полностью интегрированные трехмерные структуры. Предложенная методика отличается высокой скоростью и точностью.


Andreychek Melissa L. New Multi-Material 3-D Nanoprinting Strategy Could Revolutionize Optics, Photonics and Biomedicine. Phys.org, July 23, 2019: https://phys.org/news/2019-07-multi-material-d-nanoprinting-strategy-revolutionize.html


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Наталья Истомина

Аддитивные технологии – ​крайне актуальная тема. Однако, если мы говорим об аддитивных технологиях с использованием порошков самого малого размерного ряда (MIM-технологиях), то речь идет о частицах диаметром в диапазоне 0,1–25 мкм. В статье же рассматриваются наноразмерные детали, по крайней мере выполненные в субмикрометровом диапазоне и полученные с помощью прямой лазерной печати (direct laser writing – ​DLW) со средним размером 100 ± 70 Нм по горизонтали и 190 ± 170 Нм по вертикали. Таким образом, описываемую в статье технологию можно назвать не только 3D-технологией, но и FBG-технологией (изготовление брэгговских дифракционных решеток в оптическом волокне).

Три упомянутые и такие не похожие друг на друга технологии объединяет то, что главная роль в них отводится высокона-дежным импульсным лазерам и открытой платформе программного обеспечения для проектирования 3D-изделий, а также наличие ограничений в случаях использования для построения микроструктур композиций из нескольких материалов.

In-situ DLW включает в себя целый ряд процедур: создание микрофлюидного канала, ввод в него фотополимеризуемого материала, лазерную абляцию материала фемтосекундным лазером для печати структур непосредственно внутри канала. А это уже не метод наращивания слоев, а известный метод лазерной абляции и управление каустикой лазерного пучка для точного позиционирования его фокуса. Здесь играет роль плотность импульсов и подбор пиковой мощности источника, а также состав фоточувствительной композиции для использования двухфотонной полимеризации (TPP).


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ