解開納米級3D列印的秘密

勞倫斯利物莫國家實驗室的研究人員可以3D列印出木質晶格結構的亞微米結構，其寬度不及人類頭髮寬度。

勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的研究人員發現延長雙光子光刻技術（TPL）能力的新途徑，一個高解析度的三維列印技術能夠生產納米尺寸的結構，其寬度小於人類頭髮寬度的一百分之一。

這一研究結果，最近發表在雜誌《ACS Applied Materials & Interfaces》上，同時具有X射線計算機斷層掃描（CT）潛力分析的應力，或者用於實現缺陷的無創性醫療器械和植入物嵌入的3-D印刷製作。

雙光子光刻通常需要一個薄的玻璃片、一個透鏡，並且需要油浸來幫助激光聚焦到固化和列印的細微點上。它不同於其他3D列印方法的解析度，因為它能產生特徵小於激光光斑，規模沒有其他印刷工藝可以匹配。該技術繞過了其他方法通常的衍射極限，因為固化和硬化產生的光致抗蝕劑材料以前是商業秘密，其中材料同時吸收兩個光子而不是一個。

在論文中，勞倫斯利物莫國家實驗室的研究人員描述了光刻膠材料的雙光子光刻技術和三維微結構與功能小於150納米的形成優化破解密碼。以前的技術從基板建造了結構，限制了物體的高度，因為玻璃幻燈片和鏡頭之間的距離通常是200微米或更小。通過轉動頭部的過程，將抗蝕材料直接放在鏡頭上，通過抗蝕劑聚焦激光，研究人員現在可以列印出幾毫米高的物體了。此外，研究人員能夠調整和提高X射線光抗可以吸收量，超過10倍的常用技術的光致抗蝕劑提高衰減。

上圖所示為勞倫斯利物莫國家實驗室研究印刷的八桁架結構頂部的一個類似於人類頭髮直徑的固體鹼的亞微米級的功能結構。來源：勞倫斯利物莫國家實驗室

「在這篇文章中，我們已經解開了秘密製造定製材料雙光子光刻系統，而不損失解析度，」勞倫斯利物莫國家實驗室研究員James Oakdale說，他是該論文的共同作者。

由於激光光線折射通過光刻膠材料，這是要解決的關鍵難題，研究人員說，「折射率匹配」發現如何匹配的抗蝕材料的透鏡浸沒介質的折射率，激光可以暢通通過。索引匹配打開了列印較大的部件的可能性，他們說，具有100納米的特性。

「大多數研究人員想要使用雙光子光刻印刷功能的三維結構要比100微米的部分更高，」Sourabh Saha說，特也是論文的主要作者。「使用這些索引匹配的抗蝕劑，您可以像您希望的那樣列印結構。唯一的限制是速度。這是一種折衷，但現在我們知道如何做到這一點，我們可以診斷和改進這個過程。」

通過雙光子光刻（TPL）3D列印過程中，研究人員可以列印木質晶格結構特，其寬度約為人類頭髮寬度的一部分。

通過調整材料的X射線吸收，研究人員現在可以使用X射線計算機斷層掃描對圖像部分的內部在不切割開的情況下進行調查，或利用3-D列印技術嵌入體診斷工具，如支架、關節或骨支架。這些技術也可用來生產特殊需求的內部結構的探針，以及光學和機械材料，3-D印刷電化學電池等。

唯一的限制因素是需要創建時間，所以研究者下一步會研究並行化和加速過程。他們打算移動到更小的功能，並在將來添加更多的功能，使用該技術構建真正的關鍵任務部件。

「我們目前解決的問題只是一個非常小的一塊，但我們更相信我們的能力，開始在這一領域逐步開展研究，」Saha說。「我們正走在一條我們知道我們有不同類型應用程序的潛在解決方案的道路上。我們在越來越大的結構中尋求越來越小的功能，使我們更接近世界其他地方正在進行的科學研究的前沿。在應用方面，我們正在開發新的實用的列印方法。

來源：https://phys.org/news/2018-01-lab-secrets-nanoscale-d.html

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