Fabricação aditiva a laser de nanoestruturas 3D de fase cristalina ajustáveis de Si/ZrO2

Figura 1. Um resumo gráfico mostrando:(a) precursores orgânicos e inorgânicos brutos usados, suas razões molares na síntese; (b) tecnologia de fotopolimerização a laser e calcinação em alta temperatura; (c) nano-rede de fase cristalina formada após calcinação (cristobalita, SiO2, zircão, ZrO2 monoclínico e ZrO2 tetragonal); Todas essas fases podem ser observadas e ajustadas dependendo da temperatura de tratamento e da composição inicial dos materiais híbridos. Crédito:Compuscript Ltda.

Uma nova publicação da Avanços Opto-Eletrônicos revisa a fabricação aditiva a laser de nanoestruturas 3D de fase cristalina sintonizável de Si/ZrO2.
Uma rota para nanoimpressão a laser de estruturas cristalinas 3D foi desenvolvida empregando litografia a laser ultrarrápida, usada como ferramenta de manufatura aditiva para a produção de nanoestruturas 3D verdadeiras, e combinada com pós-tratamento térmico de alta temperatura, convertendo o material impresso em substância totalmente inorgânica.

O trabalho experimental interdisciplinar revelou o potencial de ajustar a estrutura cerâmica resultante em fases cristalinas distintas, como cristobalita, SiO₂ , ZrSiO₄ , m-ZrO₂ , t-ZrO₂ . A abordagem proposta alcançou abaixo de 60 nm para dimensões de recursos individuais sem qualquer modelagem de feixe ou técnicas de exposição complexas, tornando-a reproduzível com outras configurações de gravação direta a laser padrão ou personalizadas. O princípio é compatível com plataformas disponíveis comercialmente (por exemplo:Nanoscribe, MultiPhoton Optics, Femtika, Workshop of Photonics, UpNano, MicroLight e outras). A Figura 1 resume graficamente a abordagem, as etapas do procedimento envolvido e o resultado resultante.

Em resumo, a validação da técnica combinada de fabricação a laser e tratamento térmico atualiza a difundida litografia multifóton a laser para uma ferramenta poderosa que permite a fabricação aditiva de cerâmicas cristalinas com uma precisão e flexibilidade tridimensional sem precedentes. É um marco no processamento assistido por laser ultrarrápido de materiais inorgânicos e estabelece um novo e alto padrão para a fotopolimerização 3D a laser em nanoescala, que não está mais limitada à limitação de apenas polímeros ou materiais plásticos. Enquanto as resinas biologicamente derivadas e à base de plantas estão ampliando as aplicações em biomedicina e ciências da vida, a produção de nanoestruturas inorgânicas 3D está abrindo novos campos de pesquisa orientados para a tecnologia científica e permitindo que a indústria adquira opções para a produção de nanomecânica 3D, nanoeletrônica , micro-óptica e nano-fotônica, telecomunicações aprimoradas e chips de detecção.

Figura 2. Um mapa de litografia 3D de mesoescala ou, em outras palavras, impressão 3D verdadeira – multiescala e multimateriais é esboçado. Ele cobre dimensões de recursos individuais abaixo do comprimento de onda da luz VIS (sub-difração) até objetos 3D acima de milímetros em tamanhos, enquanto garante o dimensionamento contínuo sem lacunas ou limitações entre eles. Por outro lado, os materiais são coloridos, lembrando:biopolímeros e proteínas como resinas naturais e puramente orgânicas, materiais híbridos com propriedades vítreas ou compósitos com funcionalidades específicas aprimoradas e, finalmente, substâncias inorgânicas como cerâmicas ou cristais . Tudo isso pode ser realizado via litografia 3D de mesoescala a laser e é uma ferramenta para aplicações em (a) nanofotônica; (b) micro-óptica e prototipagem de precisão em microfluídica e micromecânica; (c) bio-scaffolds. Crédito:Compuscript Ltda.

O Dr. Darius Gailevičius com o Prof. Mangirdas Malinauskas do Laser Nanophotonics Group (Centro de Pesquisa em Laser, Faculdade de Física, Universidade de Vilnius) propôs uma abordagem para a fabricação aditiva a laser 3D de estruturas em nanoescala de materiais inorgânicos. Os objetos impressos a laser foram posteriormente tratados termicamente para remover completamente a parte orgânica do material híbrido, convertendo assim a substância em matéria inorgânica pura. Os membros do grupo acima mencionados, colaborando com um cientista de materiais Prof.Simas Šakirzanovas (Departamento de Química Aplicada, Faculdade de Química e Geociências, Universidade de Vilnius) anteciparam o potencial da síntese sol-gel e da transformação química da substância em fases diversas e ajustáveis, precisamente controlando a proporção de ingrediente inicial e o protocolo de processamento de calcinação. O principal trabalho experimental foi realizado pelo Ph.D. estudante Greta Merkininkaitė com a ajuda do estudante júnior Edvinas Aleksandravičius. Um pós-doc Dr. Darius Gailevičius introduziu insights conceituais essenciais e revisou o fluxo de trabalho experimental.

As descobertas são importantes para todo um espectro de pesquisas científicas e campos industriais. Ele estende a tecnologia de polimerização de dois fótons a laser amplamente estabelecida para a fabricação aditiva de estruturas cerâmicas e cristalinas em uma definição de recurso abaixo de 100 nm. Isso torna obsoleta a limitação anterior dos polímeros orgânicos ou híbridos empregados. Ele também permite a produção de nanoestruturas 3D de fase cristalina inorgânica e ajustável, que estão superando as opções de materiais disponíveis anteriormente ou flexibilidade estrutural limitada (geometrias 2D ou 2,5D).

Em outras palavras, a impressão 3D óptica agora oferece manufatura aditiva de vários cristais. O princípio é vantajoso na fabricação de componentes tridimensionais nano-fotônicos, micro-ópticos, nano-mecânicos, microfluídicos, nano-eletrônicos e biomédicos. Ele atualiza a impressora a laser 3D em nanoescala de preto e branco para cores, pois as cores são representadas por material específico e suas propriedades inerentes. Na Figura 2, a escala contínua e as variações de material são projetadas visualmente. Uma nova opção de materiais inorgânicos de impressão 3D verdadeiros é uma conquista de marco de benchmarking - atualizar a litografia 3D a laser existente para um novo nível de exploração. + Explorar mais