Bài 13.8Vi mô và nanoChương 13 · Chế tạo vi mô và nano

Polyme hóa hai photon

Chỉ làm cứng nhựa tại tiêu điểm laser để in các chi tiết vi mô 3D

Quang trùng hợp hai photon là in 3D ở quy mô của một tế bào sống. Một tia laser hội tụ chỉ làm cứng nhựa lỏng tại tiêu điểm của nó, nên di chuyển điểm đó sẽ vẽ ra các vật thể với chi tiết dưới một micron (0,001 mm). Nó in thấu kính vi mô lên đầu sợi quang và giàn đỡ để nuôi cấy tế bào.

Ảnh: Spanholz, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

quang trùng hợp hai photon · máy in nhìn ngang, phóng to tiêu điểm và chi tiết hoàn chỉnhCác số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới; các khung bên phải phóng to tiêu điểm và cho thấy chi tiết hoàn chỉnh.

Cách hoạt động

Nhỏ một giọt nhựa. Một giọt nhựa quang (loại nhựa đóng rắn dưới ánh sáng) được đặt lên lam kính, hoặc trực tiếp lên đầu sợi quang hay chip.
Hội tụ laser. Các xung femto giây ánh sáng cận hồng ngoại (ngay sau màu đỏ, mắt ta không nhìn thấy) đi qua vật kính hiển vi, một thấu kính mạnh. Chúng hội tụ thành một điểm bên trong nhựa.
Chỉ làm cứng tiêu điểm. Chỉ tại tiêu điểm ánh sáng mới đủ mạnh để phân tử hấp thụ hai photon (hạt ánh sáng) cùng lúc. Điều đó làm cứng một voxel: một điểm ảnh 3D cỡ một micron hoặc nhỏ hơn.
Viết trong 3D. Gương và bàn dịch chuyển di chuyển tiêu điểm theo các đường được cắt lát từ mô hình CAD, từng điểm một và từng lớp một. Chi tiết lớn lên bên trong chất lỏng, thường không cần kết cấu đỡ.
Rửa sạch chất lỏng. Dung môi rửa trôi nhựa chưa cứng, để lộ chi tiết vi mô rắn. Chi tiết mỏng manh được sấy khô cẩn thận để sức căng bề mặt của chất lỏng không làm chúng cong.

Thông số chính

Vật liệu: Nhựa quang: acrylat, epoxy như SU-8, nhựa lai hữu cơ–thủy tinh; một số loại tương thích sinh học hoặc tạo thủy tinh
Chi tiết thường gặp: Thấu kính vi mô và quang học, giàn đỡ tế bào, bộ lọc vi lưu, siêu vật liệu cấu trúc lưới, tác phẩm điêu khắc nhỏ kỷ lục
Kích thước chi tiết: Chi tiết từ khoảng 0,1 µm; cả chi tiết thường từ micromet đến vài milimet
Độ chính xác: Chi tiết dưới micron; hệ thống nghiên cứu đạt chi tiết cỡ 100 nm hoặc nhỏ hơn
Bề mặt hoàn thiện: Đủ nhẵn cho quang học; thấy các bậc lớp nhỏ dưới kính hiển vi điện tử
Số lượng phù hợp: Mẫu thử và loạt nhỏ; cũng là khuôn mẫu gốc để đúc các bản sao
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn dụng cụ; máy in thường có giá vài trăm nghìn USD
Tốc độ: Chậm: một chi tiết cỡ vài milimet có thể mất hàng giờ

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

In 3D tự do thực sự với độ phân giải dưới micron
Không cần mặt nạ hay khuôn: đi thẳng từ CAD đến chi tiết
In được lên sợi quang, chip và bên trong các kênh
Có thể đạt bề mặt nhẵn, chất lượng quang học

Hạn chế

Rất chậm với bất cứ thứ gì lớn hơn vài milimet
Thể tích in nhỏ và máy in đắt
Giới hạn ở các loại nhựa đóng rắn bằng ánh sáng
Co ngót làm chi tiết biến dạng trừ khi thiết kế có bù trừ

Ứng dụng

Quang tửThấu kính vi mô trên đầu sợi quang, ống dẫn sóng, quang học nhiễu xạ
Khoa học đời sốngGiàn đỡ cho tế bào và nghiên cứu tế bào gốc, kim siêu nhỏ
Vi lưuBộ lọc và bộ trộn 3D được in bên trong các kênh
MEMS và cảm biếnLò xo siêu nhỏ, kẹp siêu nhỏ, đầu dò cho kính hiển vi lực nguyên tử
Nghiên cứu vật liệuSiêu vật liệu cơ học (cấu trúc lưới có tính chất khác thường), lưới nano
Nghệ thuật và truyền thôngTác phẩm điêu khắc siêu nhỏ và vật thể nhỏ kỷ lục

Cách nhận biết

Bạn hầu như sẽ không bao giờ thấy: các chi tiết nhỏ hơn một hạt cát và chỉ có trong phòng thí nghiệm, quang học mẫu thử và thiết bị nghiên cứu.
Dưới kính hiển vi: các vật thể 3D có hình dạng hoàn hảo với vân lớp bậc thang mảnh, như một bản in 3D thu nhỏ.
Phần nhô ra, cấu trúc lưới và hình rỗng kín mà không khuôn nào lấy ra được.
Một thấu kính hoặc cấu trúc nằm ngay trên đầu cắt của sợi quang.