Hologramas Supercharge Impressão 3D em nanoescala

Usando hologramas, uma impressora 3D em nanoescala agora pode fabricar rapidamente itens complexos com detalhes menores que um comprimento de onda da luz visível, segundo um novo estudo. Esta nova pesquisa pode fabricar rapidamente matrizes nanotecnológicas de fios, lentes, engrenagens magnéticas rotativas e outras estruturas, sugerindo aplicações em eletrônica, fotônica, micro-robótica e muito mais.

Atualmente, a técnica de impressão 3D mais precisa para a fabricação de objetos em nanoescala com formas complexas é provavelmente a litografia de dois fótons. Essa abordagem depende de resinas líquidas que só se solidificam quando absorvem dois fótons de luz ao mesmo tempo, em vez de apenas um. Isso permite a fabricação precisa de itens com voxels – o equivalente 3D de pixels – com apenas algumas dezenas de nanômetros de tamanho.

No entanto, a litografia de dois fótons provou ser muito lenta e cara para aplicações práticas em larga escala. Isso o tornou em grande parte uma ferramenta de laboratório cara para produzir protótipos microscópicos.

O novo método pode fabricar objetos 3D microscópicos complexos, como letras, números, anéis, lentes e engrenagens que podem ser controlados remotamente pela aplicação de um campo magnético.

Pesquisas anteriores procuraram dividir o feixe de laser usado na litografia de dois fótons em vários pontos focais para acelerar a fabricação. No entanto, essa estratégia normalmente ainda atinge velocidades de impressão de cerca de 10.000 voxels por segundo e menos de 0,1 milímetros cúbicos por hora. Além disso, essa abordagem geralmente não é capaz de controlar cada foco de laser individual e, portanto, não pode produzir estruturas altamente variáveis.

Agora, uma nova técnica de litografia de dois fótons pode imprimir objetos 3D em nanoescala a velocidades de até 2 milhões de voxels por segundo e 4,5 a 54 milímetros cúbicos por hora. Além disso, alcançou uma resolução de até 90 nanômetros, a melhor já vista em litografia de dois fótons de alto rendimento, observaram os cientistas. Além disso, o novo processo da equipe pode operar simultaneamente até 2.000 focos de laser programáveis ​​individualmente para fabricar estruturas complexas, as mais vistas até agora na litografia de dois fótons de alto rendimento, acrescentaram.

“O aumento no rendimento significa que o custo é substancialmente reduzido e a tecnologia agora pode ser usada para aplicações em escala industrial a um preço e taxa de fabricação mais razoáveis”, diz o autor sênior do estudo Shih-Chi Chen, cientista óptico e engenheiro mecânico da da Universidade Chinesa de Hong Kong.

A solidificação da resina usada na litografia de dois fótons requer intensidades de laser extremamente altas. O uso de vários focos de laser aumenta a potência do laser necessária, e os lasers normalmente usados ​​na litografia de dois fótons mal conseguem fornecer a energia necessária para suportar mais de 50 focos. Em contraste, o novo método usou um laser infravermelho próximo com uma potência de pico de aproximadamente 10 gigawatts.

Normalmente, a litografia de dois fótons depende de focos que recebem cerca de 10.000 pulsos de laser de baixa potência para solidificar totalmente um voxel. No entanto, a nova técnica usa um laser que dispara dezenas a centenas de milhares de vezes mais devagar do que os lasers normalmente usados ​​na litografia de dois fótons. Para compensar, a nova técnica usa um único pulso para solidificar cada voxel. Isso exigiu ajustes significativos na resina sensível à luz para otimizar sua qualidade de impressão, disseram os cientistas.

“Conseguimos a melhor resolução com exposição de pulso único, que é totalmente oposta à abordagem convencional para obter alta resolução, ou seja, baixa potência média e longo tempo de exposição”, diz Chen.

O novo método dispara mil pulsos de 100 femtossegundos por segundo, refletindo esses pulsos em um dispositivo de micro-espelho digital que exibe um holograma. Os cientistas poderiam usar o holograma para dividir cada pulso de laser em até 2.000 focos com força, localização e fase controláveis ​​individualmente que poderiam operar simultaneamente em paralelo.

Em experimentos, os pesquisadores mostraram que seu novo método poderia fabricar objetos 3D microscópicos complexos, como letras, números, anéis, lentes e estruturas semelhantes a batedores de ovos. Eles também fabricaram engrenagens magnéticas que podiam controlar remotamente aplicando um campo magnético.

Essas 14 imagens revelam a gama de nanoestruturas que a nova técnica holográfica pode fabricar, incluindo engrenagens magnéticas em nanoescala que podem ser movidas remotamente pela aplicação de um campo magnético. [insets m and n].Universidade Chinesa de Hong Kong

No novo estudo, os cientistas também revelaram que poderiam modificar a potência do laser de cada foco para atingir 11 níveis de intensidade diferentes. Esse “controle de escala de cinza” pode ser usado para ajustar a solidez e as propriedades mecânicas de cada voxel. A nova técnica exibiu controle de escala de cinza com uma precisão de mais de 99%, a mais alta já vista na litografia paralela de dois fótons, observaram os cientistas.

Além disso, relataram os pesquisadores, o novo método produz a maior eficiência energética até agora na litografia de dois fótons. Enquanto outras técnicas exigem uma potência operacional de aproximadamente 1,5 a 4 watts, o novo método requer apenas uma potência média de 400 miliwatts para operar 2.000 focos.

Uma aplicação potencial para a impressão 3-D em nanoescala é a fabricação de metaestruturas – materiais cujas estruturas possuem padrões repetidos em escalas menores que os comprimentos de onda de qualquer força que sejam projetadas para influenciar. As metaestruturas ópticas, projetadas para manipular a radiação eletromagnética, podem desviar a luz de maneiras inesperadas, resultando em mantos de invisibilidade e outros dispositivos.

Um dos maiores desafios da pesquisa em metaestruturas é fabricar objetos contendo subcaracterísticas com menos de um mícron de tamanho, mas, no geral, são muitos milhares de vezes maiores que suas subcaracterísticas. Em experimentos, os cientistas revelaram que sua nova técnica poderia fabricar uma grade de aproximadamente 1 milímetro cúbico de tamanho, composta por mais de 680.000 células com sub-características tão pequenas quanto 700 nanômetros.

Os pesquisadores agora estão explorando o uso de IA para gerar procedimentos de fabricação ideais com sua nova técnica. O objetivo é que os produtos “tenham melhor integridade estrutural, resistência e uniformidade”, diz Chen.

Os cientistas detalharam suas descobertas online em 27 de março na revista Natureza Comunicações.