पाठ 13.8माइक्रो और नैनोअध्याय 13 · माइक्रो- और नैनोफ़ैब्रिकेशन

टू-फ़ोटॉन पॉलिमराइज़ेशन

लेज़र के फ़ोकस पर ही रेज़िन कठोर कर 3D माइक्रो-पुर्ज़े छापती है

टू-फ़ोटॉन पॉलिमराइज़ेशन एक जीवित कोशिका के पैमाने की 3D प्रिंटिंग है। फ़ोकस किया गया लेज़र तरल रेज़िन को केवल अपने फ़ोकल बिंदु पर कठोर करता है, इसलिए उस बिंदु को चलाकर एक माइक्रोन (0.001 mm) से भी महीन विवरण वाली वस्तुएँ बनाई जाती हैं। यह ऑप्टिकल फ़ाइबर के सिरों पर माइक्रो-लेंस और कोशिकाएँ उगाने के स्कैफ़ोल्ड छापती है।

फ़ोटो: Spanholz, CC BY-SA 4.0, स्रोत: Wikimedia Commons

टू-फ़ोटॉन पॉलिमराइज़ेशन · प्रिंटर का बग़ल से दृश्य, फ़ोकस ज़ूम और तैयार पुर्ज़ाघेरे में लिखे नंबर नीचे दिए चरणों से मेल खाते हैं; दाएँ पैनल फ़ोकस को ज़ूम करते हैं और तैयार पुर्ज़ा दिखाते हैं।

यह कैसे काम करती है

रेज़िन की एक बूँद रखें। तरल फ़ोटोरेज़िन (प्रकाश में कठोर होने वाला प्लास्टिक) की एक बूँद काँच की स्लाइड पर, या सीधे फ़ाइबर के सिरे या चिप पर रखी जाती है।
लेज़र को फ़ोकस करें। निकट-अवरक्त प्रकाश (लाल से ठीक आगे, हमें अदृश्य) की फ़ेम्टोसेकंड पल्स एक माइक्रोस्कोप ऑब्जेक्टिव, यानी शक्तिशाली लेंस, से गुज़रती हैं। वे रेज़िन के भीतर एक बिंदु पर एकत्र होती हैं।
केवल फ़ोकस को कठोर करें। केवल फ़ोकस पर ही प्रकाश इतना तीव्र होता है कि अणु एक साथ दो फ़ोटॉन (प्रकाश के कण) सोख सकें। इससे एक वोक्सेल कठोर होता है: लगभग एक माइक्रोन या उससे छोटा 3D पिक्सेल।
3D में लिखें। दर्पण और स्टेज फ़ोकस को CAD मॉडल से काटे गए पथों पर चलाते हैं, बिंदु-दर-बिंदु और परत-दर-परत। पुर्ज़ा तरल के भीतर बढ़ता है, अक्सर बिना सपोर्ट संरचनाओं के।
तरल धो डालें। एक विलायक बिना कठोर हुए रेज़िन को धो देता है और ठोस माइक्रो-पुर्ज़ा उभर आता है। नाज़ुक पुर्ज़ों को सावधानी से सुखाया जाता है ताकि तरल का पृष्ठ तनाव उन्हें मोड़ न दे।

मुख्य तथ्य

सामग्री: फ़ोटोरेज़िन: ऐक्रिलेट, SU-8 जैसे इपॉक्सी, हाइब्रिड ऑर्गेनिक-ग्लास रेज़िन; कुछ बायोकम्पैटिबल या काँच बनाने वाले रेज़िन
आम पार्ट: माइक्रो-लेंस और ऑप्टिक्स, कोशिका स्कैफ़ोल्ड, माइक्रोफ़्लुइडिक फ़िल्टर, लैटिस मेटामटीरियल, रिकॉर्ड-छोटी मूर्तियाँ
पार्ट का आकार: लगभग 0.1 µm से विशेषताएँ; पूरे पुर्ज़े आमतौर पर माइक्रोमीटर से कुछ मिलीमीटर तक
सटीकता: सब-माइक्रोन विवरण; शोध प्रणालियाँ लगभग 100 nm या उससे कम की विशेषताओं तक पहुँचती हैं
सतह की फ़िनिश: ऑप्टिक्स के लिए पर्याप्त चिकनी; इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में महीन परत-सीढ़ियाँ दिखती हैं
किस बैच साइज़ के लिए उपयुक्त: प्रोटोटाइप और छोटी शृंखलाएँ; नक़लें ढालने के लिए मास्टर भी
टूलिंग और मशीन की लागत: कोई टूलिंग नहीं; प्रिंटर अक्सर कई सौ हज़ार डॉलर के होते हैं
गति: धीमी: कुछ मिलीमीटर के पुर्ज़े में घंटों लग सकते हैं

ताक़तें और सीमाएँ

खूबियाँ

सब-माइक्रोन रिज़ॉल्यूशन पर सच्चा फ़्री-फ़ॉर्म 3D
कोई मास्क या मोल्ड नहीं: सीधे CAD से पुर्ज़ा
फ़ाइबर, चिप और चैनलों के भीतर भी छापती है
चिकनी, ऑप्टिकल गुणवत्ता की सतहें संभव हैं

सीमाएँ

कुछ मिलीमीटर से बड़ी किसी भी चीज़ के लिए बहुत धीमी
छोटे बिल्ड वॉल्यूम और महँगे प्रिंटर
केवल प्रकाश से क्योर होने वाले रेज़िन तक सीमित
सिकुड़न पुर्ज़ों को बिगाड़ती है, जब तक डिज़ाइन उसकी भरपाई न करे

कहाँ इस्तेमाल होती है

फ़ोटोनिक्सफ़ाइबर सिरों पर माइक्रो-लेंस, वेवगाइड, डिफ़्रैक्टिव ऑप्टिक्स
जीव विज्ञानकोशिकाओं और स्टेम-सेल शोध के लिए स्कैफ़ोल्ड, माइक्रो-नीडल
माइक्रोफ़्लुइडिक्सचैनलों के भीतर छापे गए 3D फ़िल्टर और मिक्सर
MEMS और सेंसरमाइक्रो-स्प्रिंग, माइक्रो-ग्रिपर, एटॉमिक फ़ोर्स माइक्रोस्कोप की नोकें
सामग्री अनुसंधानयांत्रिक मेटामटीरियल (असामान्य गुणों वाली जालियाँ), नैनो-लैटिस
कला और जन-जागरूकतामाइक्रो-मूर्तियाँ और रिकॉर्ड-छोटी वस्तुएँ

इसे कैसे पहचानें

आपका इनसे लगभग कभी सामना नहीं होगा: ये पुर्ज़े रेत के कण से भी छोटे होते हैं और प्रयोगशालाओं, प्रोटोटाइप ऑप्टिक्स और शोध उपकरणों में रहते हैं।
माइक्रोस्कोप में: पूरी तरह सही आकार की 3D वस्तुएँ, बारीक सीढ़ीनुमा परत-रेखाओं के साथ, मानो नन्हा 3D प्रिंट हो।
ओवरहैंग, जालियाँ और बंद खोखले आकार जिन्हें कोई मोल्ड छोड़ ही नहीं सकता।
ऑप्टिकल फ़ाइबर के कटे सिरे पर ठीक बैठा लेंस या संरचना।

तुलना करें

स्टीरियोलिथोग्राफ़ी8.2यह भी प्रकाश से रेज़िन कठोर करती है, पर वैट में परत-दर-परत; कहीं बड़ी और तेज़, दसियों माइक्रोन के विवरण के साथ।फ़ेम्टोसेकंड लेज़र मशीनिंग13.6उसी तरह का लेज़र, पर वह सामग्री बनाने की जगह हटाता है।वॉल्यूमेट्रिक प्रिंटिंग8.10यह भी तरल के भीतर रेज़िन क्योर करती है, पर पूरी वस्तु एक साथ कई कोणों से; तेज़, पर कहीं मोटी।

देखें

g Fun Facts online · सिद्धांत की एक छोटी, सरल व्याख्या

scientificblogging · रेत के कण से छोटी रेस कार को छापा जाते हुए

Nanoscribe · छापे गए माइक्रो-पुर्ज़े और इलेक्ट्रॉन-माइक्रोस्कोप के क्लोज़-अप

UpNano · एक व्यावसायिक प्रिंटर और उसके पुर्ज़े कैसे बने हैं

असली तस्वीरें देखें

Wikipedia: Multiphoton lithography — सिद्धांत, सामग्रियाँ और अनुप्रयोग; कम तस्वीरें
Wikimedia Commons फ़ोटो खोज

याद रखें

रेज़िन केवल वहीं कठोर होता है जहाँ दो फ़ोटॉन एक साथ पहुँचते हैं: लेज़र के फ़ोकस पर।
उस फ़ोकस को चलाने से सब-माइक्रोन विवरण वाले सच्चे 3D आकार बनते हैं।
यह धीमी और छोटे पैमाने की है: माइक्रो-ऑप्टिक्स, स्कैफ़ोल्ड और प्रोटोटाइप के लिए आदर्श।