好消息！纳米尺度3D打印出现新突破
2018-01-09 15:17:01
作者：本网整理
通过双光子光刻（TPL）3D打印工艺，研究人员可以打印出具有人发宽度几分之一的亚微米特征的木垛晶格
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）因其深入的材料研究而闻名，其经常涉及高级3D打印技术，包括在纳米尺度上进行3D打印。最近实验室有了新发现，可以提高纳米级3D打印能力。双光子光刻是一种高分辨率3D打印技术，能够产生小于人类头发宽度百分之一的纳米级特征。LLNL的发现扩展了其潜力，并且为X射线计算机断层扫描（CT）无创分析嵌入式3D打印的医疗装置或植入物中的压力或缺陷提供了可能。
双光子光刻不同于其他3D打印方法，它可以产生小于激光点的特征。它还能够绕过常规衍射极限，因为固化和硬化形成结构的光致抗蚀剂材料可以同时吸收两个光子而非一个光子。通常情况下，这种技术需要一个薄玻璃滑块、一个透镜和一份浸泡油，以使激光聚焦到合适的点。
LLNL团队在一篇名为“双光子光刻的不透射线抗蚀剂实现X射线计算机断层扫描技术对聚合物部件的亚微米3D成像”的论文中详细介绍了其研究成果。在这篇论文中，研究人员描述了他们如何破解了双光子光刻优化的抗蚀剂材料上的难题，并形成特征小于150纳米的三维微结构。过去的技术从底层构建结构，限制了物体的尺寸，因为载玻片和透镜之间的距离通常为200微米或更小。但是通过将抗蚀剂材料直接置于镜头上并通过抗蚀剂将激光聚焦，研究人员可以利用3D打印技术得到多倍于毫米高的物体。
LLNL的研究人员在一个坚实的基座上打印了亚微米特征的八角形桁架结构，其直径相近于人的头发研究人员还可调整和增加光敏聚合物抗蚀剂所吸收的X射线量，这将使常用的光阻剂的衰减幅度提高10倍以上。LLNL研究员James Oakdale说：“这篇论文中，我们解开了在双光子光刻系统上定制材料而不会失去分辨率的秘密。”
研究人员称，激光在穿过光致抗蚀剂材料时会发生折射，因此关键是“折射率匹配”，或者说找出如何使抗蚀剂材料的折射率与透镜的浸润介质相匹配，只有这样激光器才可以顺利通过。索引匹配使3D打印能够生产出小到100nm的零件。
该论文的第一作者Sourabh Saha说：“大多数希望使用双光子光刻技术印刷功能三维结构的研究人员需要高于100微米的部件。使用这些索引匹配的抗蚀剂，就可以打印任何想要的结构高度，唯一的限制就是速度。这是一个权衡，但现在我们知道如何做到这一点，可以诊断和改进这个过程。”
图为打印出的具有人发宽度的亚微米特征的木垛晶格
通过对材料的x射线吸收进行调优，研究人员可以使用x射线计算机断层扫描技术作为诊断工具，在不切开的情况下检查零件的内部，或者在人体内部像关节置换、支架或骨骼支架等使用3D打印的零件。他们还可以使用新技术来制造和探测国家点火装置的目标内部结构，以及光学和机械的超材料和3D印制的电化学电池。
下一个目标是并行化和加速这个过程。研究人员还希望创造更小的特征并增加更多功能，最终达到使用3D打印技术打印任何任务关键部件的目标。
Saha说：“这只是我们解决的难题中的一小部分，但我们现在更有信心在这个领域驰骋，并且坚信有针对不同类型应用的潜在解决方案。我们在越来越大的结构中推动越来越小的特征，使我们更接近世界科学研究的前沿。而在应用方面，我们正在开发新的实用打印方式。”
论文的作者包括Sourabh K. Saha，James S. Oakdale，Jefferson A. Cuadra，Chuck Divin，叶剑超，Jean-Baptiste Forien，Leonardus B. Bayu Aji，Juergen Biener和William L. Smith。
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