Dwufotonowy (2PP) druk 3D – nanoskala w zasięgu twojej ręki

Polimeryzacja dwufotonowa, wykorzystywana w dwufotonowym (2PP) druku 3D, to potężne narzędzie umożliwiające wytwarzanie trójwymiarowych mikro- i nanostruktur o dowolnym kształcie. Coraz częściej znajduje zastosowanie zarówno w nanofotonice, mikromechanice jak i mikrofluidyce oraz inżynierii tkankowej.

mikro-, nano- , piko-, femto-

 

Zacznijmy jednak od omówienia, o jakich rzędach wielkości mówimy. „Największa” z tych wielkości – mikrometr, stanowi jedynie 0,000001 metra. Dla porównania, włos ludzki ma około 50-100 mikrometrów.

Skala polimeryzacji dwufotonowej schodzi jednak jeszcze niżej. Jeden nanometr to jedna miliardowa część metra, co znacznie łatwiej znowu wyobrazić sobie na przykładach: włos ludzki ma średnicę do 100 000 nanometrów, ludzka krwinka czerwona ma około 7 500 nanometrów, a nić ludzkiego DNA ma średnicę 2,5 nanometra.

Rysunek 1. Szopka bożonarodzeniowa wydrukowana za pomocą technologii 2pp w oku igielnym (www.nanojesus.com).

Kluczową dla dwufotonowego (2PP) druku 3D wielkością jest femtosekunda, czyli czas trwania jednego impulsu używanego w tej technice lasera. Femto to przedrostek oznaczający 10-15, zatem femtosekunda to jedynie 0,000000000000001 s. Dla porównania, mrugnięcie oka trwa 0,3 – 0,4 sekundy – ponad 10 000 000 000 000 razy dłużej.

Dlaczego laser femtosekundowy?

W odróżnieniu od standardowych laserów impulsowych oraz laserów z wiązką ciągłą, lasery femtosekundowe bardzo szybko dostarczają olbrzymią ilość energii w bardzo krótkim okresie czasu.  

Impulsy femtosekundowe (fs) dostarczają energię do podsystemu elektronów w krótszym czasie niż potrzeba elektronom na przekazanie jej do sieci – oznacza to ultraszybkie interakcje między materiałem, a wiązką lasera.

Technologia addytywna 2PP bazuje na procesie dwufotonowej absorbcji w zakresie bliskiej podczerwieni. Dzięki połączeniu efektów nieliniowych, starannego doboru parametrów wiązki oraz ogniskowania lasera możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości druku 3D na poziomie nawet 100 nm. Dodatkowo druk 2PP zachodzi w objętości materiału, a nie na jego powierzchni co pozwala na tworzenie dużo bardziej skomplikowanych kształtów z dużo większą prędkością. 

W trakcie obróbki substraktywnej z zastosowaniem lasera femtosekundowego efekt termiczny jest minimalny, co umożliwia obróbkę materiału „na zimno” bez termicznego uszkodzenia otaczającego materiału. To właśnie dzięki temu cięcie i wiercenie za pomocą ultrakrótkich impulsów daje wysoką jakość i nieosiągalną wcześniej rozdzielczość.

Cała nanofabryka w jednym urządzeniu

A co, gdyby połączyć możliwości dwufotonowego wytwarzania addytywnego z metodami subtraktywnymi? Wyobraź sobie potencjał systemu łączącego obie te techniki!

Litewska firma Femtika, wywodząca się z Centrum Badań Laserowych Uniwersytetu Wileńskiego, opracowała jeden z najbardziej przełomowych systemów ostatnich lat – hybrydowy system do mikro- i nanofabrykacji Femtika Nanofactory. Jak sami mówią, ich głównym celem jest zaspokojenie rosnącego na całym świecie zapotrzebowania na uniwersalne narzędzia i technologie umożliwiające wytwarzanie niestandardowych komponentów w skali mikro i submikronowej.

Proces mikrofabrykacji w tym jednym urządzeniu obejmuje nie tylko fotopolimeryzację 2PP, ale wykorzystuje również proces ablacji laserowej oraz selektywne trawienie laserowe (SLE; Selective Laser Etching).

Dedykowane oprogramowanie 3DPoli pozwala na pełną kontrolę powiązanych urządzeń (zarówno ręcznie, jak i ze skryptów zdefiniowanych przez użytkownika). System jest modułowy, można go modyfikować zgodnie z konkretnymi potrzebami i wymaganiami, np. dołączyć uchwyty światłowodów czy zintegrować z automatyczną linię produkcyjną.

Niemożliwe staje się możliwe

Nie ma drugiego takiego systemu na świecie, którego możliwości obejmują wytwarzanie elastycznych, ruchomych struktur w mikroskali. Przykładem jest „kolczuga” (Rysunek 2) wytwarzana z twardych, ale elastycznych w mikroskali materiałów (na przykład fotopolimeru SZGelu). Nazwa fotopolimeru SZGel pochodzi od wchodzących w jego skład krzemu (Sr) i cyrkonu (Zr). Ze względu na dużą gęstość żeli stosowanych w druku dwufotonowym nieutwardzony materiał sam w sobie stanowi podporę dla drukowanych elementów. Zapewnia to możliwość tworzenia tak skomplikowanych struktur jak „kolczuga” bez dodatkowych elementów podpierających.

Rysunek 2
Rysunek 2.1

Stosując selektywne trawienie laserowe, możliwe jest stworzenie wszystkich elementów systemu mikrofluidycznego podczas jednego etapu technologicznego (Rysunek 3). Femtika Nanofactory pozwala na wytwarzanie układów zawierających elementy o różnych kształtach i rozmiarach ze szkła kwarcowego.

Rysunek 3
Rysunek 3.1

Dzięki zastosowaniu bardzo dużej apertury numerycznej układu optycznego (NA do 1,4) możliwe jest wytwarzanie powtarzalnych struktur o wymiarach poniżej 200 nm i okresowości poniżej 400 nm.

Rysunek 4

Wytwarzanie tak niewielkich i różnorodnych elementów w mikro- i nanoskali wprowadzają cały świat nauki na kolejny etap. Nie tylko inżynieria tkankowa, ale również nanofotonika, mikromechanika czy mikrofluidyka doczekały się ogromnego przełomu, Femtika Nanofactory daje nam możliwości, o których wcześniej mogliśmy tylko pomarzyć.