De casas a aparelhos auditivos, a impressão tridimensional (3D) está revolucionando a forma como criamos estruturas complexas em grande escala. Reduzindo o zoom aos níveis micro e nano, um processo conhecido como litografia de polimerização de dois fótons (TPL) permite que cientistas e engenheiros construam objetos com precisão microscópica, o que tem implicações de amplo alcance para indústrias que vão da medicina à manufatura.



Na computação e na comunicação, por exemplo, o TPL pode ser usado para desenvolver novos materiais ópticos, como cristais fotônicos que podem manipular a luz de novas maneiras. No entanto, apesar da sua promessa, ainda existem alguns desafios para aproveitar plenamente o seu potencial. O principal deles é o desafio de obter encolhimento uniforme e tamanhos de recursos abaixo do comprimento de onda da luz visível, o que é essencial quando se trata de manipulação avançada de luz.

Para enfrentar esse desafio, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Joel Yang, do pilar de Desenvolvimento de Produtos de Engenharia da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD) - em colaboração com seus colegas do Centro de Tecnologia Industrial da província de Wakayama, no Japão - introduziu um novo método que garante um encolhimento uniforme de estruturas impressas em 3D quando tratadas termicamente. Isso refina ainda mais o uso do TPL na produção de recursos em nanoescala de alta precisão.

Seu artigo de pesquisa, "Processo de seleção e colocação para encolhimento uniforme de materiais micro e nanoarquitetados impressos em 3D", foi publicado na Nature Communications .

Em seu estudo, os pesquisadores empregaram uma camada de poli(álcool vinílico), ou PVA, no substrato de impressão para facilitar que as peças impressas em 3D fossem lavadas e transferidas para um substrato separado, permitindo assim a redução controlada e uniforme das peças impressas em 3D. A fixação solta no novo substrato permite que a base das estruturas deslize à medida que a impressão 3D geral encolhe uniformemente durante o aquecimento.

Esta abordagem simples mas eficaz contorna o problema do encolhimento não uniforme causado pela fixação da estrutura à superfície na qual foi impressa. Também abre possibilidades de transferência de peças microscópicas impressas em 3D para integração com outros dispositivos ou em substratos que não são adequados para TPL.

Yang inspirou-se na natureza para esta técnica, afirmando:"Assim como as minhocas se esticam e se contraem para se moverem pelas superfícies, acreditávamos que poderíamos permitir que nossas estruturas 3D 'deslizassem' para um tamanho menor sem distorção."

De acordo com Tomohiro Mori, primeiro autor do artigo e pesquisador visitante do Centro de Tecnologia Industrial da província de Wakayama, "A geometria complexa do mascote da província de Wakayama - com suas várias curvas, saliências e depressões - tornou-o um tema ideal para mostrar a eficácia da nossa técnica O encolhimento uniforme bem-sucedido de um modelo tão detalhado sugere que nosso método pode ser adaptado para qualquer formato, independentemente de seu formato ou da solidez da plataforma em que está colocado."

A abordagem da equipe permite a criação de estruturas detalhadamente detalhadas que ultrapassam o que seus equipamentos de impressão podem produzir originalmente, rompendo barreiras anteriores de resolução e rigidez de material associadas a objetos impressos em 3D.

Ao aproveitar este novo processo de encolhimento, os investigadores também podem refinar as características das estruturas impressas em 3D a tal ponto que podem funcionar em novas funções, tais como indicadores visuais devido à sua capacidade de exibir cores estruturais. Mais importante ainda, essas cores não se devem aos corantes, mas surgem da estrutura interna do material, que, quando reduzido em tamanho, interage com a luz de uma forma que altera sua aparência.

Isso introduz novas funções aos materiais. “Por exemplo, incorporar certas moléculas chamadas cromóforos, que são sensíveis a diferentes tipos de luz, nas estruturas, poderia permitir-nos projetar materiais que mudam de cor em resposta a condições específicas de iluminação”, explicou Yang. “Isso tem aplicações práticas no combate à falsificação, onde os itens podem ser verificados como genuínos através de cores estruturais distintas e das propriedades de emissão desses materiais”.

A tecnologia desenvolvida pela equipe de pesquisa é promissora em indústrias como a eletrônica, onde pode ser usada para fabricar dissipadores de calor complexos necessários para resfriar dispositivos de alto desempenho, como GPUs e CPUs de última geração.

O encolhimento consistente dos componentes impressos também abre aplicações em campos que exigem alta fidelidade na estruturação de materiais, como peças mecânicas com geometrias complexas, elementos ópticos com capacidades precisas de manipulação de luz e dispositivos acústicos que podem controlar o som com maior precisão.

Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam expandir as aplicações de sua técnica além do atual material de resina polimérica usado em seu estudo. Ao aplicar seu método a materiais com índices de refração mais elevados, eles pretendem criar cristais fotônicos mais eficazes, o que poderia melhorar tecnologias em lasers, sistemas de imagem e sensores ópticos.

Além disso, a equipe de pesquisa também está trabalhando no ajuste fino do controle de espaçamento em estruturas impressas para produzir modelos 3D coloridos que possam controlar com precisão a forma como a luz é manipulada. Isto inclui esforços para transferir e posicionar com precisão estas estruturas em grandes áreas ou em quantidades significativas, mantendo a alta precisão necessária para estas aplicações avançadas.

Mais informações: Tomohiro Mori et al, Processo de seleção e colocação para encolhimento uniforme de materiais micro e nanoarquitetados impressos em 3D, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41535-9
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura