p Usando um novo método baseado no tempo para controlar a luz de um laser ultrarrápido, pesquisadores desenvolveram uma técnica de impressão 3-D em nanoescala que pode fabricar estruturas minúsculas 1000 vezes mais rápido do que as técnicas convencionais de litografia de dois fótons (TPL), sem sacrificar a resolução. p Apesar do alto rendimento, a nova técnica paralelizada - conhecida como projeção de femtossegundo TPL (FP-TPL) - produz resolução de profundidade de 175 nanômetros, o que é melhor do que os métodos estabelecidos e pode fabricar estruturas com saliências de 90 graus que não podem ser feitas atualmente. A técnica pode levar à produção em escala de manufatura de bioscaffolds, eletrônica flexível, interfaces eletroquímicas, micro-óptica, metamateriais mecânicos e ópticos, e outras micro e nanoestruturas funcionais.

p O trabalho, relatado em 3 de outubro no jornal Ciência , foi feito por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e da Universidade Chinesa de Hong Kong. Sourabh Saha, o principal do artigo e o autor correspondente, agora é professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff do Instituto de Tecnologia da Geórgia.

p As técnicas de manufatura aditiva em nanoescala existentes usam um único ponto de luz de alta intensidade - normalmente em torno de 700 a 800 nanômetros de diâmetro - para converter materiais fotopolímeros de líquidos em sólidos. Como o ponto deve escanear toda a estrutura que está sendo fabricada, a técnica TPL existente pode exigir muitas horas para produzir estruturas 3-D complexas, o que limita sua capacidade de ser ampliado para aplicações práticas.

p "Em vez de usar um único ponto de luz, projetamos um milhão de pontos simultaneamente, "disse Saha." Isso aumenta o processo drasticamente porque, em vez de trabalhar com um único ponto que precisa ser escaneado para criar a estrutura, podemos usar um plano inteiro de luz projetada. Em vez de focar em um único ponto, temos um plano focalizado inteiro que pode ser padronizado em estruturas arbitrárias. "

p Para criar um milhão de pontos, os pesquisadores usam uma máscara digital semelhante às usadas em projetores para criar imagens e vídeos. Nesse caso, a máscara controla um laser de femtossegundo para criar o padrão de luz desejado no material de polímero líquido precursor. A luz de alta intensidade causa uma reação de polimerização que transforma o líquido em sólido, onde desejado, para criar estruturas 3-D.

p Cada camada da estrutura fabricada é formada por uma explosão de luz de alta intensidade de 35 femtossegundos. O projetor e a máscara são então usados ​​para criar camada após camada até que toda a estrutura seja produzida. O polímero líquido é então removido, deixando para trás o sólido. A técnica FP-TPL permite que os pesquisadores produzam em oito minutos uma estrutura que levaria várias horas para ser produzida usando processos anteriores.

p "O sistema paralelo de dois fótons que foi desenvolvido é um avanço na impressão em nanoescala que permitirá que o desempenho notável em materiais e estruturas nessa escala de tamanho seja realizado em componentes utilizáveis, "disse o Diretor de Manufatura e Materiais de Engenharia do LLNL, Chris Spadaccini.

p Ao contrário da impressão 3-D de consumidor que usa partículas pulverizadas sobre uma superfície, a nova técnica vai fundo no precursor líquido, permitindo a fabricação de estruturas que não poderiam ser produzidas apenas com a fabricação de superfície. Por exemplo, a técnica pode produzir o que Saha chama de "ponte impossível" com saliências de 90 graus e com mais de 1, Taxa de proporção de 000:1 entre o comprimento e o tamanho do recurso. "Podemos projetar a luz em qualquer profundidade que quisermos no material, para que possamos fazer estruturas 3-D suspensas, " ele disse.

p Os pesquisadores imprimiram estruturas suspensas de um milímetro de comprimento entre bases que são menores que 100 mícrons por 100 mícrons. A estrutura não entra em colapso durante a fabricação porque o líquido e o sólido têm aproximadamente a mesma densidade - e a produção acontece tão rapidamente que o líquido não tem tempo para ser perturbado.

p Além das pontes, os pesquisadores fizeram uma variedade de estruturas escolhidas para demonstrar a técnica, incluindo micro-pilares, cuboides, pilhas de toras, fios e espirais. Os pesquisadores usaram precursores de polímeros convencionais, mas Saha acredita que a técnica também funcionaria para metais e cerâmicas que podem ser gerados a partir de polímeros precursores.

p "A verdadeira aplicação para isso seria na produção em escala industrial de pequenos dispositivos que podem ser integrados em produtos maiores, como componentes em smartphones, "disse ele." O próximo passo é demonstrar que podemos imprimir com outros materiais para expandir a paleta de materiais. "

p Grupos de pesquisa vêm trabalhando há anos para acelerar o processo de litografia de dois fótons usado para produzir estruturas 3-D em nanoescala. O sucesso deste grupo veio da adoção de uma forma diferente de focar a luz, usando suas propriedades de domínio do tempo, que permitiu a produção de folhas de luz muito finas, capazes de alta resolução - e recursos minúsculos.

p O uso do laser de femtossegundo permitiu que a equipe de pesquisa mantivesse intensidade de luz suficiente para acionar o processo de polimerização de dois fótons, mantendo os tamanhos dos pontos finos. Na técnica FP-TPL, os pulsos de femtossegundo são alongados e comprimidos à medida que passam pelo sistema óptico para implementar a focalização temporal. O processo, que pode gerar recursos 3-D menores do que os limitados por difração, ponto de luz focalizado, requer que dois fótons atinjam as moléculas precursoras líquidas simultaneamente.

p "Tradicionalmente, há compensações entre velocidade e resolução, "Saha disse." Se você quiser um processo mais rápido, você perderia a resolução. Rompemos essa troca de engenharia, permitindo-nos imprimir 1000 vezes mais rápido com o menor dos recursos. "

p Na Georgia Tech, A Saha pretende continuar avançando no trabalho com novos materiais e maior escalonamento do processo.

p "Até aqui, mostramos que podemos nos sair muito bem em velocidade e resolução, "ele disse." As próximas questões serão quão bem podemos prever os recursos e quão bem podemos controlar a qualidade em grandes escalas. Isso exigirá mais trabalho para entender o processo em si. "