Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый метод 3D-печати гелями и мягкими материалами.
Вместо использования ультрафиолетового лазера (УФ) или видимого света для инициирования геля, как в большинстве современных 3D-принтеров из мягких материалов, исследовательская группа использовала электронные и рентгеновские лучи для отверждения ряда фотополимеров. Эти коротковолновые лазеры оказались более сфокусированными, чем обычные лучи, и позволили производить гели с высоким уровнем структурной детализации размером до 100 нанометров (нм).
Недавно разработанная учеными NIST техника позволяет создавать сложные микроскопические структуры, такие как гибкие электроды, биосенсоры или мягкие микророботы.
Различные методы фотоотверждения полимеров
Недавние инновации в разработке фотоотверждаемых полимеров значительно повысили скорость и разрешение, которые возможны при 3D-печати мягких материалов. Эти недавно улучшенные составы позволили использовать методы оптической фотолитографии и стереолитографии (SLA) для создания все более мелких объектов, некоторые из которых имеют размер в диапазоне 100 нм.
Напротив, традиционные методы мягкого производства, такие как электронно-лучевая литография (EBL), не смогли угнаться за ними и требуют для эффективного функционирования точно сфокусированных электронных лучей. Хотя EBL обычно используется для создания рисунка полимеров и гелевых пленок, он работает только при высоком уровне взаимодействия между лазером и материалом, что ограничивает сложность объектов, которые он может создавать.
Нанесение сфокусированного электронного луча (3D-FEBID) представляет собой более инновационный подход к 3D-печати и использует электронный луч для разделения поверхности газообразных металлосодержащих прекурсоров. Экспериментальная техника способна создавать объекты со сверхвысоким разрешением, но за счет того, что она значительно медленнее, чем обычные методы.
Аналогичным образом был достигнут значительный прогресс в развитии глубокой рентгеновской литографии, в которой используются пучки, сфокусированные на зонной пластине, для точного изготовления микроструктур с высоким аспектным отношением. Усовершенствованный производственный процесс вызывает меньшее радиационное повреждение, что позволило использовать его в медицинских целях, таких как полимеризация внутри живых систем.
К сожалению, рентгеноориентированные методы имеют и недостатки. В настоящее время короткие волны, испускаемые рентгеновскими лучами, могут работать только в вакууме, поэтому жидкость в каждой камере может испаряться, а не образовывать гель. Чтобы преодолеть это ограничение, команда предположила, что с помощью тонкого электронно-прозрачного барьера они могут предотвратить испарение жидкости, позволяя лучу проникать в гель.
Метод 3D-печати на основе геля, предложенный командой NIST
Чтобы эффективно доставлять сфокусированные электронные и мягкие рентгеновские лучи в их жидкий раствор, исследователи разработали набор закрытых жидкостных камер. Устройства были оснащены мембранами из нитрида кремния (SiN) толщиной 30-50 нм, которые изолировали жидкость от вакуума микроскопа.
Во время испытаний камера была заполнена 20% водным раствором диакрилата полиэтиленгликоля (PEGDA) и девятью идентичными мембранными окнами. Изменяя только один из параметров луча, например его энергию, интенсивность, размер шага или время пребывания, оставляя другие заблокированными, барьеры использовались для создания деталей с целым рядом различных наборов функций.
После смывания неотвержденного раствора команда использовала атомно-силовую микроскопию (АСМ) для проверки их перекрестно-сшитых структур. Сравнивая высоту образцов объектов в их гидратированном и сухом состояниях, исследователи в конечном итоге смогли последовательно распечатать их и оценить размер объектов на основе геля, не измеряя их напрямую.
Более того, этот метод оказался способным создавать структуры шириной 100-150 нм, что натолкнуло исследователей на мысль, что его можно использовать для создания устройств, взаимодействующих с компьютером и мозгом. Чтобы проверить возможности их нового метода взаимодействия с живыми клетками, команда провела еще один эксперимент, в ходе которого клетки с SiN-мембраной и полимер PEGDA подвергались воздействию электронного луча.
Несмотря на то, что некоторые клетки погибли, большинство из них удалось интегрировать в электрод. В результате команда пришла к выводу, что их метод может быть использован для создания футуристических микроскопических имплантируемых устройств размером до 50 нм. «Мы внедряем новые инструменты - электронные и рентгеновские лучи, работающие в жидкостях, - в 3D-печать мягких материалов», - заключил ведущий научный сотрудник Андрей Колмаков.
Аддитивное производство в наномасштабе
Учитывая диапазон потенциальных применений, существующих для наноразмерных 3D-печатных объектов, неудивительно, что в последние годы ученые стремились оптимизировать технологию и производить объекты все меньшего размера.
Исследователи из Дейтонского университета разработали усовершенствованный и экономичный метод 3D-печати наноразмерных структур. Технология оптико-термомеханической (OTM) нанопечати доказала свою способность печатать в масштабе менее 100 нм.
Ученые из Фраунгоферовского института микроинженерии и микросистем (IMM) разрабатывают новый процесс с использованием многофотонной литографии для создания наноразмерных металлических 3D-печатных структур. В рамках проекта команда стремится производить детали с меньшими характеристиками, чем те, которые производятся с использованием процессов прямого осаждения энергии (DED).
Команда из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) использовала метод двухфотонной литографии для 3D-печати металлических структур размером не более 100 нм. Сообщается, что этот метод позволяет создавать металлические элементы, которые «на порядок меньше», чем любой другой процесс изготовления металлов.
Выводы исследователей подробно изложены в их статье под названием «Сшивка, индуцированная электронным и рентгеновским пучком в жидкостях: на пути к быстрой непрерывной 3D-нанопечати и взаимодействию с использованием мягких материалов», которая была опубликована в журнал ACS Nano. В соавторстве с Таней Гуптой, Евгением Стрелковым, Гленном Холландом, Джошуа Шумахером, Ян Янгом, Мэнди Б. Эш, Владимиром Аксюком, Патриком Зеллером, Маттео Амати, Лукой Грегоратти и Андреем Колмаковым.