Leçon 13.8Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

Polymérisation à deux photons

Durcit la résine uniquement au point focal d'un laser pour imprimer des micro-pièces en 3D

La polymérisation à deux photons est de l'impression 3D à l'échelle d'une cellule vivante. Un laser focalisé durcit la résine liquide uniquement en son point focal : en déplaçant ce point, on dessine des objets avec des détails de moins d'un micron (0,001 mm). Elle imprime des microlentilles sur des pointes de fibre optique et des structures pour cultiver des cellules.

Photo : Spanholz, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

polymérisation à deux photons · vue de côté de l'imprimante, zoom sur le point focal et pièce finieLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; les schémas de droite zooment sur le point focal et montrent la pièce finie.

Comment ça marche

Déposer une goutte de résine. Une goutte de photorésine liquide (un plastique qui durcit sous la lumière) est posée sur une lame de verre, ou directement sur une pointe de fibre ou une puce.
Focaliser le laser. Des impulsions femtoseconde de lumière proche infrarouge (juste au-delà du rouge, invisible pour nous) traversent un objectif de microscope, une lentille puissante. Elles convergent en un point à l'intérieur de la résine.
Durcir uniquement le point focal. Seulement au point focal la lumière est assez intense pour que les molécules absorbent deux photons (particules de lumière) à la fois. Cela durcit un voxel : un pixel 3D d'environ un micron ou moins.
Écrire en 3D. Des miroirs et des platines déplacent le point focal le long de trajectoires tirées d'un modèle CAO, point par point et couche par couche. La pièce grandit dans le liquide, souvent sans structures de support.
Rincer le liquide. Un solvant élimine la résine non durcie et révèle la micro-pièce solide. Les pièces délicates sont séchées avec soin pour que la tension superficielle du liquide ne les déforme pas.

Chiffres clés

Matériaux: Photorésines : acrylates, époxys comme la SU-8, résines hybrides organique-verre ; certaines résines biocompatibles ou vitrifiables
Pièces typiques: Microlentilles et optiques, structures pour cellules, filtres microfluidiques, métamatériaux en treillis, sculptures record de petitesse
Taille de pièce: Détails à partir d'environ 0,1 µm ; pièces entières généralement de quelques micromètres à quelques millimètres
Précision: Détail sub-micronique ; les systèmes de recherche atteignent des détails d'environ 100 nm ou moins
État de surface: Assez lisse pour l'optique ; fines marches de couche visibles au microscope électronique
Taille de série adaptée: Prototypes et petites séries ; aussi des masters pour mouler des copies
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage ; les imprimantes coûtent souvent plusieurs centaines de milliers de dollars
Vitesse: Lent : une pièce de quelques millimètres peut prendre des heures

Atouts et limites

Atouts

De la vraie 3D de forme libre à une résolution sub-micronique
Ni masque ni moule : directement de la CAO à la pièce
Imprime sur des fibres, des puces et à l'intérieur de canaux
Des surfaces lisses, de qualité optique, sont possibles

Limites

Très lent au-delà de quelques millimètres
Petits volumes de fabrication et imprimantes coûteuses
Limité aux résines photopolymérisables
Le retrait déforme les pièces si la conception ne le compense pas

Où on l'utilise

PhotoniqueMicrolentilles sur pointes de fibres, guides d'ondes, optiques diffractives
Sciences de la vieStructures pour cellules et recherche sur les cellules souches, micro-aiguilles
MicrofluidiqueFiltres et mélangeurs 3D imprimés à l'intérieur de canaux
MEMS et capteursMicro-ressorts, micro-pinces, pointes pour microscopes à force atomique
Recherche sur les matériauxMétamatériaux mécaniques (treillis aux propriétés inhabituelles), nano-treillis
Art et vulgarisationMicro-sculptures et objets record de petitesse

Comment le reconnaître

Vous n'en verrez presque jamais : les pièces sont plus petites qu'un grain de sable et vivent dans les laboratoires, les optiques de prototypes et les dispositifs de recherche.
Au microscope : des objets 3D parfaitement formés avec de fines lignes de couche en escalier, comme une minuscule impression 3D.
Des porte-à-faux, des treillis et des formes creuses fermées qu'aucun moule ne pourrait démouler.
Une lentille ou une structure posée directement sur l'extrémité coupée d'une fibre optique.

À comparer avec

Stéréolithographie8.2durcit aussi la résine par la lumière, mais couche par couche dans une cuve ; bien plus grand et plus rapide, avec des détails de dizaines de microns.Usinage laser femtoseconde13.6le même type de laser, mais il enlève de la matière au lieu d'en construire.Impression volumétrique8.10polymérise aussi à l'intérieur du liquide, mais un objet entier d'un coup sous de nombreux angles ; rapide, mais bien plus grossier.

À regarder

g Fun Facts online · Une explication courte et simple du principe

scientificblogging · Une voiture de course plus petite qu'un grain de sable en cours d'impression

Nanoscribe · Micro-pièces imprimées et gros plans au microscope électronique

UpNano · Une imprimante commerciale et la façon dont ses pièces sont construites

Voir de vraies photos

Wikipédia : Multiphoton lithography — principe, matériaux et applications ; peu de photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

La résine ne durcit que là où deux photons arrivent en même temps : au point focal du laser.
Déplacer ce point focal dessine de vraies formes 3D avec un détail sub-micronique.
C'est lent et à petite échelle : idéal pour la micro-optique, les structures cellulaires et les prototypes.