Lição 13.8Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Polimerização por dois fótons

Endurece resina só no foco de um laser para imprimir micropeças em 3D

A polimerização por dois fótons é impressão 3D na escala de uma célula viva. Um laser focado endurece resina líquida só no seu ponto focal, então mover esse ponto desenha objetos com detalhes abaixo de um mícron (0,001 mm). Ela imprime microlentes em pontas de fibra óptica e estruturas de suporte para cultivar células.

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

polimerização por dois fótons · vista lateral da impressora, zoom do foco e peça prontaOs números em círculo correspondem às etapas abaixo; os painéis da direita dão zoom no foco e mostram a peça pronta.

Como funciona

Coloque uma gota de resina. Uma gota de fotorresina líquida (um plástico que endurece sob a luz) é colocada sobre uma lâmina de vidro, ou direto em uma ponta de fibra ou em um chip.
Foque o laser. Pulsos de femtossegundos de luz quase infravermelha (logo além do vermelho, invisível para nós) passam por uma objetiva de microscópio, uma lente poderosa. Eles convergem em um ponto dentro da resina.
Endureça só o foco. Só no foco a luz é intensa o bastante para as moléculas absorverem dois fótons (partículas de luz) ao mesmo tempo. Isso endurece um voxel: um pixel 3D de cerca de um mícron ou menos.
Escreva em 3D. Espelhos e mesas movem o foco por trajetórias fatiadas de um modelo CAD, ponto por ponto e camada por camada. A peça cresce dentro do líquido, muitas vezes sem estruturas de suporte.
Lave o líquido. Um solvente enxágua a resina não endurecida, revelando a micropeça sólida. Peças delicadas são secas com cuidado para a tensão superficial do líquido não as deformar.

Dados-chave

Materiais: Fotorresinas: acrilatos, epóxis como o SU-8, resinas híbridas orgânico-vidro; algumas resinas biocompatíveis ou formadoras de vidro
Peças típicas: Microlentes e ópticas, estruturas de suporte para células, filtros microfluídicos, metamateriais em treliça, esculturas do tamanho recorde de pequenas
Tamanho da peça: Detalhes a partir de cerca de 0,1 µm; peças inteiras geralmente de micrômetros a alguns milímetros
Precisão: Detalhe submicrométrico; sistemas de pesquisa chegam a detalhes de cerca de 100 nm ou menos
Acabamento superficial: Lisa o bastante para ópticas; finos degraus de camada visíveis ao microscópio eletrônico
Tamanho de lote adequado: Protótipos e séries pequenas; também matrizes-mestre para moldar cópias
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental; as impressoras costumam custar várias centenas de milhares de dólares
Velocidade: Lenta: uma peça de alguns milímetros pode levar horas

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Verdadeiro 3D de forma livre com resolução submicrométrica
Sem máscara nem molde: direto do CAD para a peça
Imprime sobre fibras, chips e dentro de canais
São possíveis superfícies lisas, de qualidade óptica

Limites

Muito lenta para qualquer coisa acima de alguns milímetros
Pequenos volumes de impressão e impressoras caras
Limitada a resinas fotocuráveis
A contração deforma as peças, a menos que o projeto compense

Onde é usado

FotônicaMicrolentes em pontas de fibra, guias de onda, óptica difrativa
Ciências da vidaEstruturas de suporte para células e pesquisa com células-tronco, microagulhas
MicrofluídicaFiltros e misturadores 3D impressos dentro de canais
MEMS e sensoresMicromolas, microgarras, pontas para microscópios de força atômica
Pesquisa de materiaisMetamateriais mecânicos (treliças com propriedades incomuns), nanotreliças
Arte e divulgaçãoMicroesculturas e objetos de tamanho recorde

Como reconhecê-lo

Você quase nunca verá: as peças são menores que um grão de areia e vivem em laboratórios, ópticas de protótipo e dispositivos de pesquisa.
Ao microscópio: objetos 3D perfeitamente formados com finas linhas de camada em degraus, como uma minúscula impressão 3D.
Saliências, treliças e formas ocas fechadas que nenhum molde conseguiria soltar.
Uma lente ou estrutura bem sobre a ponta cortada de uma fibra óptica.

Compare com

Estereolitografia8.2também endurece resina com luz, mas camada por camada em uma cuba; muito maior e mais rápida, com detalhes de dezenas de mícrons.Usinagem a laser de femtossegundos13.6o mesmo tipo de laser, mas remove material em vez de construí-lo.Impressão volumétrica8.10também cura resina dentro do líquido, mas um objeto inteiro de uma vez a partir de muitos ângulos; rápida, mas muito mais grosseira.

Assista

g Fun Facts online · Uma explicação curta e simples do princípio

scientificblogging · Um carro de corrida menor que um grão de areia sendo impresso

Nanoscribe · Micropeças impressas e closes de microscópio eletrônico

UpNano · Uma impressora comercial e como suas partes são construídas

Veja fotos reais

Wikipédia: Litografia multifotônica — princípio, materiais e aplicações; poucas fotos
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A resina endurece só onde dois fótons chegam ao mesmo tempo: no foco do laser.
Mover esse foco desenha formas 3D verdadeiras com detalhes submicrométricos.
É lenta e de pequena escala: ideal para microóptica, estruturas de suporte e protótipos.