Урок 13.8Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Двухфотонная полимеризация

Отверждает смолу только в фокусе лазера и печатает 3D-микродетали

Двухфотонная полимеризация — это 3D-печать в масштабе живой клетки. Сфокусированный лазер отверждает жидкую смолу только в своей фокальной точке, поэтому, перемещая эту точку, можно «рисовать» объекты с деталями меньше микрона (0,001 мм). Так печатают микролинзы на торцах оптоволокна и каркасы для выращивания клеток.

Фото: Spanholz, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

двухфотонная полимеризация · принтер сбоку, увеличенный фокус и готовая детальЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; правые панели увеличивают фокус и показывают готовую деталь.

Как это работает

Нанесите каплю смолы. Каплю жидкого фоторезиста (пластика, твердеющего под светом) помещают на стеклянную пластинку либо прямо на торец волокна или на чип.
Сфокусируйте лазер. Фемтосекундные импульсы ближнего инфракрасного света (чуть за красным, невидимого для нас) проходят через микроскопный объектив, мощную линзу. Они сходятся в точку внутри смолы.
Отвердите только фокус. Только в фокусе свет достаточно интенсивен, чтобы молекулы поглотили сразу два фотона (частицы света). Это отверждает воксель — 3D-пиксель размером около микрона или меньше.
Пишите в 3D. Зеркала и столики перемещают фокус по траекториям, нарезанным из CAD-модели, точка за точкой и слой за слоем. Деталь растёт внутри жидкости, часто без поддерживающих структур.
Смойте жидкость. Растворитель смывает неотверждённую смолу и открывает твёрдую микродеталь. Хрупкие детали сушат осторожно, чтобы поверхностное натяжение жидкости не изогнуло их.

Ключевые факты

Материалы: Фоторезины: акрилаты, эпоксиды, например SU-8, гибридные органо-стеклянные смолы; некоторые биосовместимые или стеклообразующие смолы
Типичные детали: Микролинзы и оптика, каркасы для клеток, микрофлюидные фильтры, решётчатые метаматериалы, рекордно маленькие скульптуры
Размер детали: Элементы от около 0,1 мкм; целые детали обычно от микрометров до нескольких миллиметров
Точность: Субмикронная детализация; исследовательские системы достигают элементов около 100 нм и меньше
Качество поверхности: Достаточно гладкая для оптики; тонкие ступеньки слоёв видны под электронным микроскопом
Подходящая партия: Прототипы и малые серии; также мастер-модели для литья копий
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастка не нужна; принтеры часто стоят несколько сотен тысяч долларов
Скорость: Медленно: деталь размером в несколько миллиметров может печататься часами

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Настоящая произвольная 3D-форма с субмикронным разрешением
Ни маски, ни формы: от CAD сразу к детали
Печатает на волокнах, чипах и внутри каналов
Возможны гладкие поверхности оптического качества

Ограничения

Очень медленно для всего, что крупнее нескольких миллиметров
Малые объёмы построения и дорогие принтеры
Только светоотверждаемые смолы
Усадка искажает детали, если конструкция её не компенсирует

Где применяется

ФотоникаМикролинзы на торцах волокон, волноводы, дифракционная оптика
Науки о жизниКаркасы для клеток и исследований стволовых клеток, микроиглы
Микрофлюидика3D-фильтры и смесители, напечатанные внутри каналов
МЭМС и датчикиМикропружины, микрозахваты, зонды для атомно-силовых микроскопов
МатериаловедениеМеханические метаматериалы (решётки с необычными свойствами), нанорешётки
Искусство и популяризацияМикроскульптуры и рекордно маленькие объекты

Как узнать процесс

Почти наверняка нет: детали меньше песчинки, они живут в лабораториях, прототипах оптики и исследовательских приборах.
Под микроскопом: идеально сформированные 3D-объекты с тонкими ступенчатыми линиями слоёв, как у крошечной 3D-печати.
Нависающие элементы, решётки и замкнутые полые формы, которые невозможно извлечь из формы.
Линза или структура, сидящая прямо на торце оптического волокна.

Сравните с

Стереолитография8.2тоже отверждает смолу светом, но слой за слоем в ванне; гораздо крупнее и быстрее, с деталями в десятки микрон.Обработка фемтосекундным лазером13.6такой же лазер, но он удаляет материал, а не наращивает его.Объёмная печать8.10тоже отверждает смолу внутри жидкости, но целый объект сразу, с множества направлений; быстро, но гораздо грубее.

Смотрите

g Fun Facts online · Короткое простое объяснение принципа

scientificblogging · Печать гоночного автомобиля меньше песчинки

Nanoscribe · Напечатанные микродетали и крупные планы в электронном микроскопе

UpNano · Коммерческий принтер и как устроены его узлы

Смотреть реальные фото

Википедия: Многофотонная литография — принцип, материалы и применения; мало фотографий
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Смола твердеет только там, где два фотона приходят одновременно: в фокусе лазера.
Перемещая этот фокус, можно рисовать настоящие 3D-формы с субмикронной детализацией.
Метод медленный и мелкомасштабный: идеален для микрооптики, каркасов и прототипов.