الدرس 13.8الدقيق والنانويالفصل 13 · التصنيع الدقيق والنانوي

البلمرة بفوتونين

يصلّب الراتنج عند بؤرة الليزر فقط لطباعة قطع دقيقة ثلاثية الأبعاد

البلمرة بفوتونين (Two-photon polymerization) هي طباعة ثلاثية الأبعاد بمقياس خلية حية. يصلّب ليزر مركّز الراتنج السائل عند بؤرته فقط، فتحريك تلك النقطة يرسم أجسامًا بتفاصيل أقل من ميكرون (0.001 مم). يطبع عدسات دقيقة على أطراف الألياف الضوئية وسقالات لنمو الخلايا.

الصورة: Spanholz, CC BY-SA 4.0, عبر Wikimedia Commons

البلمرة بفوتونين · منظر جانبي للطابعة، تكبير البؤرة والقطعة النهائيةالأرقام داخل الدوائر تطابق الخطوات أدناه؛ وتكبّر اللوحتان اليمنيان البؤرة وتُظهران القطعة النهائية.

كيف تعمل

وضع قطرة راتنج. توضع قطرة من الراتنج الضوئي السائل (بلاستيك يتصلّب تحت الضوء) على شريحة زجاجية، أو مباشرة على طرف ليف أو رقاقة.
تركيز الليزر. تمرّ نبضات فيمتوثانية من الضوء تحت الأحمر القريب (بعد الأحمر مباشرة، غير مرئي لنا) عبر عدسة شيئية مجهرية، وهي عدسة قوية. تتقارب في نقطة داخل الراتنج.
تصليب البؤرة فقط. عند البؤرة وحدها يكون الضوء شديدًا بما يكفي لتمتص الجزيئات فوتونين (جسيمي ضوء) في آن واحد. وهذا يصلّب فوكسل: بكسل ثلاثي الأبعاد بحجم ميكرون أو أقل.
الكتابة في ثلاثة أبعاد. تحرّك المرايا والمنصات البؤرة على مسارات مقطّعة من نموذج CAD، نقطة بنقطة وطبقة بطبقة. تنمو القطعة داخل السائل، غالبًا بلا هياكل دعم.
غسل السائل. يشطف مذيب الراتنج غير المتصلّب، فيكشف القطعة الدقيقة الصلبة. تُجفَّف القطع الدقيقة بعناية حتى لا ينحني بها التوتر السطحي للسائل.

حقائق أساسية

المواد: راتنجات ضوئية: أكريلات، إيبوكسيات مثل SU-8، راتنجات هجينة عضوية-زجاجية؛ وبعض الراتنجات المتوافقة حيويًا أو المكوّنة للزجاج
القطع النموذجية: عدسات وبصريات دقيقة، سقالات للخلايا، مرشّحات الموائع الدقيقة، مواد فائقة شبكية، منحوتات هي الأصغر على الإطلاق
حجم القطعة: ميزات من نحو 0.1 µm؛ والقطع الكاملة عادةً من ميكرومترات إلى بضعة مليمترات
الدقة: تفاصيل أدق من ميكرون؛ وأنظمة البحث تبلغ ميزات بنحو 100 nm أو أقل
تشطيب السطح: ناعم بما يكفي للبصريات؛ وخطوات الطبقات الدقيقة تُرى تحت المجهر الإلكتروني
حجم الدفعة المناسب: نماذج أولية وسلاسل صغيرة؛ وكذلك نماذج رئيسية لقولبة النسخ
كلفة العدّة والآلة: بلا أدوات قالبية؛ وتكلّف الطابعات غالبًا عدة مئات آلاف الدولارات
السرعة: بطيء: قطعة بحجم بضعة مليمترات قد تستغرق ساعات

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

ثلاثي الأبعاد حر الشكل حقًا بدقة أدق من ميكرون
بلا قناع أو قالب: من CAD إلى القطعة مباشرة
يطبع على الألياف والرقائق وداخل القنوات
يمكن الحصول على أسطح ناعمة بجودة بصرية

الحدود

بطيء جدًا لأي شيء يزيد على بضعة مليمترات
أحجام بناء صغيرة وطابعات غالية
محصور في الراتنجات المعالَجة بالضوء
الانكماش يشوّه القطع ما لم يعوّضه التصميم

أين تُستخدم

الفوتونياتعدسات دقيقة على أطراف الألياف، موجّهات موجية، بصريات حيودية
علوم الحياةسقالات للخلايا وأبحاث الخلايا الجذعية، إبر دقيقة
الموائع الدقيقةمرشّحات وخلّاطات ثلاثية الأبعاد تُطبع داخل القنوات
MEMS والحسّاساتنوابض دقيقة، ماسكات دقيقة، أطراف لمجاهر القوة الذرية
أبحاث الموادمواد ميكانيكية فائقة (شبكات بخصائص غير معتادة)، شبكات نانوية
الفن والتوعيةمنحوتات دقيقة وأجسام هي الأصغر على الإطلاق

كيف تتعرف عليها

لن تراها تقريبًا أبدًا: فالقطع أصغر من حبة رمل وتعيش في المختبرات والبصريات التجريبية وأجهزة البحث.
تحت المجهر: أجسام ثلاثية الأبعاد بأشكال مثالية مع خطوط طبقات دقيقة كالدرجات، مثل مطبوعة ثلاثية الأبعاد صغيرة جدًا.
بروزات وشبكات وأشكال مجوّفة مغلقة لا يستطيع أي قالب تحريرها.
عدسة أو بنية تقع مباشرة على الطرف المقطوع لليف ضوئي.