FP-TPL baseado em focalização espacial e temporal. Crédito:CUHK
A tecnologia de impressão 3-D ultraprecisa é um habilitador chave para a fabricação de dispositivos biomédicos e fotônicos de precisão. Contudo, a tecnologia de impressão existente é limitada por sua baixa eficiência e alto custo. Professor Shih-Chi Chen e sua equipe do Departamento de Engenharia Mecânica e Automação, A Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK), colaborou com o Laboratório Nacional Lawrence Livermore para desenvolver a tecnologia de impressão de litografia de dois fótons de projeção de femtosegundo (FP-TPL).
Ao controlar o espectro do laser por meio de focagem temporal, o processo de impressão 3D a laser é executado paralelamente, camada por camada, em vez de escrita ponto a ponto. Esta nova técnica aumenta substancialmente a velocidade de impressão em 1, 000—10, 000 vezes, e reduz o custo em 98%. A conquista foi publicada recentemente em Ciência , afirmando seu avanço tecnológico que leva a impressão 3D em nanoescala a uma nova era.
A tecnologia de impressão 3-D em nanoescala convencional, ou seja, polimerização de dois fótons (TPP), opera em uma varredura ponto a ponto. Como tal, até mesmo um objeto com o tamanho de um centímetro pode levar vários dias a semanas para ser fabricado (taxa de construção ~ 0,1 mm 3 /hora). O processo é demorado e caro, que impede aplicações práticas e industriais. Para aumentar a velocidade, a resolução do produto acabado é freqüentemente sacrificada. O professor Chen e sua equipe superaram o problema desafiador, explorando o conceito de foco temporal, onde uma folha de luz de femtossegundo programável é formada no plano focal para nanogravação paralela; isso é equivalente a projetar simultaneamente milhões de focos de laser no plano focal, substituindo o método tradicional de focagem e varredura do laser em apenas um ponto. Em outras palavras, a tecnologia FP-TPL pode fabricar um plano inteiro dentro do tempo em que o sistema de varredura pontual fabrica um ponto.
Fig. 1. Impressão de estruturas 3D complexas com resolução submicrônica via FP-TPL. (A a C) Estrutura em escala milimétrica com recursos submicrométricos apoiados em uma moeda de um centavo dos EUA no topo de uma superfície reflexiva. O cubóide de 2,20 mm x 2,20 mm x 0,25 mm foi impresso em 8 min 20s, demonstrando uma taxa de impressão 3D de 8,7 mm3 / hora. Em contraste, técnicas de varredura pontual exigiriam várias horas para imprimir este cubóide. (D) Um micropilar 3D impresso através do empilhamento de camadas 2D, demonstrando uniformidade de impressão que é indistinguível da dos sistemas comerciais de digitalização em série. (E e F) Estruturas espirais impressas através da projeção de uma única camada demonstrando a capacidade de imprimir estruturas curvilíneas rapidamente em escalas de tempo de milissegundos de um dígito, sem qualquer movimento de palco. (G a J) Estruturas 3D salientes impressas pela costura de várias projeções 2D, demonstrando a capacidade de imprimir recursos com resolução de profundidade. A estrutura da ponte em (G), com ângulos salientes de 90 °, é um desafio imprimir usando técnicas TPL de varredura pontual ou qualquer outra técnica devido à sua grande projeção em relação ao tamanho do menor recurso e à resolução do recurso submicrônico. Crédito:Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK)
Fig. 2. Nanofios impressos demonstrando resolução em nanoescala de FP-TPL. (A) largura (ao longo da direção lateral) e (B) altura (ao longo da direção axial) de nanofios suspensos impressos em diferentes condições. A largura das linhas no padrão DMD projetado variou de 3 a 6 pixels com um período fixo de 30 pixels. Cada pixel (px) é mapeado para 151 nm na imagem projetada. Etiquetas HP, MP, e LP referem-se a alto (42 nW / px), médio (39 nW / px), e níveis de potência baixos (35 nW / px), respectivamente. Todos os marcadores de uma forma específica representam pontos de dados gerados no mesmo nível de potência, e todos os marcadores de uma cor específica representam a mesma largura de linha. A impressão foi realizada com um laser de femtossegundo que tinha um comprimento de onda central de 800 nm e uma largura de pulso nominal de 35 fs e com uma lente objetiva de abertura numérica de 60 × 1,25. (C e D) Imagens de microscópio eletrônico de varredura das características de nanofios suspensos. Crédito:Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK)
O que torna o FP-TPL uma tecnologia disruptiva é que ele não apenas melhora muito a velocidade (aproximadamente 10-100 mm 3 /hora), mas também melhora a resolução (~ 140 nm / 175 nm nas direções lateral e axial) e reduz o custo (US $ 1,5 / mm 3 ) O professor Chen apontou que o hardware típico em um sistema TPP inclui uma fonte de laser de femtosegundo e dispositivos de varredura de luz, por exemplo., dispositivo de microespelho digital (DMD). Uma vez que o custo principal do sistema TPP é a fonte de laser com uma vida útil típica de ~ 20, 000 horas, reduzir o tempo de fabricação de dias para minutos pode estender muito a vida útil do laser e indiretamente reduzir o custo médio de impressão de US $ 88 / mm 3 a US $ 1,5 / mm 3 - uma redução de 98 por cento.
Devido ao lento processo de digitalização de pontos e à falta de capacidade para imprimir estruturas de suporte, sistemas TPP convencionais não podem fabricar grandes estruturas complexas e pendentes. A tecnologia FP-TPL superou essa limitação por sua alta velocidade de impressão, ou seja, partes parcialmente polimerizadas são rapidamente unidas antes de poderem se afastar na resina líquida, que permite a fabricação de estruturas complexas e salientes em grande escala, conforme mostrado na Figura 1 (G). O professor Chen disse que a tecnologia FP-TPL pode beneficiar muitos campos; por exemplo, nanotecnologia, materiais funcionais avançados, micro-robótica, e dispositivos médicos e de entrega de medicamentos. Por causa de sua velocidade significativamente aumentada e custos reduzidos, a tecnologia FP-TPL tem potencial para ser comercializada e amplamente adotada em vários campos no futuro, fabricação de dispositivos de meso a grande escala.
