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.
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.
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.
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.
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.
