Lección 13.8Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

Polimerización de dos fotones

Endurece resina solo en el foco de un láser para imprimir micropiezas 3D

La polimerización de dos fotones es impresión 3D a la escala de una célula viva. Un láser enfocado endurece la resina líquida solo en su punto focal, así que al mover ese punto se dibujan objetos con detalles de menos de una micra (0,001 mm). Imprime microlentes en las puntas de fibra óptica y andamios para cultivar células.

Foto: Spanholz, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons

polimerización de dos fotones · impresora de lado, zoom del foco y pieza terminadaLos números en círculo coinciden con los pasos de abajo; los paneles de la derecha amplían el foco y muestran la pieza terminada.

Cómo funciona

Pon una gota de resina. Una gota de fotorresina líquida (un plástico que endurece con la luz) se coloca sobre un portaobjetos de vidrio, o directamente sobre la punta de una fibra o un chip.
Enfoca el láser. Pulsos de femtosegundos de luz de infrarrojo cercano (justo más allá del rojo, invisible para nosotros) atraviesan un objetivo de microscopio, una lente potente. Convergen en un punto dentro de la resina.
Endurece solo el foco. Solo en el foco la luz es lo bastante intensa para que las moléculas absorban dos fotones (partículas de luz) a la vez. Eso endurece un vóxel: un píxel 3D de aproximadamente una micra o menos.
Escribe en 3D. Espejos y platinas mueven el foco siguiendo trayectorias obtenidas al cortar un modelo CAD, punto a punto y capa a capa. La pieza crece dentro del líquido, a menudo sin estructuras de soporte.
Lava el líquido. Un disolvente aclara la resina sin endurecer y deja al descubierto la micropieza sólida. Las piezas delicadas se secan con cuidado para que la tensión superficial del líquido no las doble.

Datos clave

Materiales: Fotorresinas: acrilatos, epoxis como el SU-8, resinas híbridas orgánico-vidrio; algunas resinas biocompatibles o formadoras de vidrio
Piezas típicas: Microlentes y óptica, andamios celulares, filtros microfluídicos, metamateriales de celosía, esculturas de récord por su tamaño diminuto
Tamaño de pieza: Detalles desde unos 0,1 µm; las piezas enteras suelen medir de micrómetros a unos pocos milímetros
Precisión: Detalle submicrométrico; los sistemas de investigación alcanzan detalles de alrededor de 100 nm o menos
Acabado superficial: Lo bastante lisa para óptica; los finos escalones de capa se ven con un microscopio electrónico
Tamaño de lote adecuado: Prototipos y series pequeñas; también patrones maestros para moldear copias
Coste de utillaje y máquina: Sin utillaje; las impresoras suelen costar varios cientos de miles de dólares
Velocidad: Lento: una pieza de unos pocos milímetros puede llevar horas

Ventajas y límites

Ventajas

Verdadera forma libre en 3D con resolución submicrométrica
Sin máscara ni molde: del CAD directamente a la pieza
Imprime sobre fibras, chips y dentro de canales
Son posibles superficies lisas, de calidad óptica

Límites

Muy lento para cualquier cosa de más de unos pocos milímetros
Volúmenes de fabricación pequeños e impresoras caras
Limitado a resinas fotocurables
La contracción deforma las piezas salvo que el diseño la compense

Dónde se usa

FotónicaMicrolentes en puntas de fibra, guías de onda, óptica difractiva
Ciencias de la vidaAndamios para células e investigación con células madre, microagujas
MicrofluídicaFiltros y mezcladores 3D impresos dentro de canales
MEMS y sensoresMicroresortes, micropinzas, puntas para microscopios de fuerza atómica
Investigación de materialesMetamateriales mecánicos (celosías con propiedades inusuales), nanoceldas
Arte y divulgaciónMicroesculturas y objetos de récord por su tamaño diminuto

Cómo reconocerlo

Casi nunca las verás: las piezas son más pequeñas que un grano de arena y viven en laboratorios, ópticas de prototipo y dispositivos de investigación.
Al microscopio: objetos 3D perfectamente formados con finas líneas de capa escalonadas, como una diminuta impresión 3D.
Voladizos, celosías y formas huecas cerradas que ningún molde podría desmoldear.
Una lente o una estructura colocada justo sobre el extremo cortado de una fibra óptica.

Compáralo con

Estereolitografía8.2también endurece resina con luz, pero capa a capa en una cubeta; mucho más grande y rápido, con detalles de decenas de micras.Mecanizado con láser de femtosegundos13.6el mismo tipo de láser, pero que elimina material en lugar de construirlo.Impresión volumétrica8.10también cura resina dentro del líquido, pero un objeto entero de una vez desde muchos ángulos; rápido, pero mucho más basto.

Míralo

g Fun Facts online · Una explicación breve y sencilla del principio

scientificblogging · Un coche de carreras más pequeño que un grano de arena, mientras se imprime

Nanoscribe · Micropiezas impresas y primeros planos con microscopio electrónico

UpNano · Una impresora comercial y cómo se construyen sus partes

Ver fotos reales

Wikipedia: Litografía multifotónica — principio, materiales y aplicaciones; pocas fotos
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

La resina endurece solo donde llegan dos fotones a la vez: en el foco del láser.
Al mover ese foco se dibujan formas 3D verdaderas con detalle submicrométrico.
Es lento y de pequeña escala: ideal para microóptica, andamios y prototipos.