NIST科學(xué)家在納米尺度上開發(fā)3D打印凝膠和軟材料的新方法

魔猴君  行業(yè)資訊   1499天前

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)了一種3D打印凝膠和軟材料的新方法。該研究團(tuán)隊(duì)沒有像大多數(shù)現(xiàn)代軟材料3D打印機(jī)那樣使用紫外激光（UV）或可見光來引發(fā)其凝膠，而是利用電子和X射線束來固化一系列光敏樹脂。事實(shí)證明，這些短波長的激光比常規(guī)光束更聚焦，并且能夠制造具有高水平結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的凝膠，尺寸小至100納米（nm）。NIST科學(xué)家最新開發(fā)的技術(shù)可以創(chuàng)建復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，例如柔性電極，生物傳感器或軟微型機(jī)器人。

NIST團(tuán)隊(duì)最終使用他們的技術(shù)生產(chǎn)了微觀的細(xì)胞界面結(jié)構(gòu)（如圖）。圖片來自ACS Nano期刊。

光固化聚合物的不同方法

光固化聚合物開發(fā)方面的最新創(chuàng)新大大改善了軟材料3D打印所能達(dá)到的速度和分辨率。這些新增強(qiáng)的配方使光學(xué)光刻和立體光刻（SLA）方法可用于創(chuàng)建越來越小的物體，其中一些物體的波長為100nm。

相比之下，傳統(tǒng)的軟制造方法（例如電子束光刻（EBL））無法跟上步伐，需要緊密聚焦的電子束才能有效發(fā)揮作用。盡管EBL通常用于聚合物和凝膠膜的構(gòu)圖，但它只能在激光和材料之間進(jìn)行高水平的交互作用，從而限制了它可以生產(chǎn)的物體的復(fù)雜性。

聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（3D-FEBID）代表了一種更具創(chuàng)新性的3D打印方法，它使用電子束來分離含氣態(tài)含金屬前體的表面。實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠以超高分辨率創(chuàng)建對象，但代價(jià)是比傳統(tǒng)方法要慢得多。同樣，在深X射線光刻技術(shù)的開發(fā)中也取得了重大進(jìn)展，該技術(shù)使用聚焦于區(qū)域板的光束精確制造高縱橫比的微結(jié)構(gòu)。先進(jìn)的生產(chǎn)工藝可減少輻射損傷，這使其可以用于醫(yī)療應(yīng)用，例如帶電系統(tǒng)內(nèi)的聚合反應(yīng)。

不幸的是，面向X射線的方法也有缺點(diǎn)。目前，X射線束發(fā)出的短波長只能在真空中工作，因此每個腔室中的液體可能會蒸發(fā)而不形成凝膠。為了克服這一限制，研究小組得出了理論，即使用薄的電子透明屏障，可以防止液體蒸發(fā)，同時允許電子束穿透凝膠。

研究人員能夠調(diào)節(jié)電子束的強(qiáng)度，以創(chuàng)建具有預(yù)定參數(shù)的物體。圖片來自ACS Nano期刊。

NIST團(tuán)隊(duì)基于凝膠的3D打印方法

為了有效地將聚焦的電子束和軟X射線束傳遞到其液體溶液中，研究人員設(shè)計(jì)了一組封閉的流體室。這些設(shè)備配備有30–50 nm的氮化硅（SiN）薄膜，可將液體與顯微鏡的真空隔離。在測試過程中，將20％w / v的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）水溶液和9個相同的膜窗填充到腔室中。通過僅改變光束的一個參數(shù)（例如光束的能量，強(qiáng)度，步長或停留時間），同時保持其他參數(shù)不變，屏障被用于創(chuàng)建具有一系列不同特征集的零件。

沖洗掉未固化的溶液后，研究小組使用了原子力顯微鏡（AFM）來檢查其交聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過比較處于水合和干燥狀態(tài)的樣品物體的高度，研究人員最終能夠始終如一地打印它們并估算基于凝膠的物體的尺寸，而無需直接對其進(jìn)行測量。 而且，該方法被證明能夠生產(chǎn)100-150nm寬的結(jié)構(gòu)，從而使研究人員推測該方法可用于創(chuàng)建計(jì)算機(jī)與大腦的接口設(shè)備。為了測試其新技術(shù)與活細(xì)胞的連接能力，研究小組進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，將SiN膜細(xì)胞和PEGDA聚合物暴露于電子束中。

盡管一些細(xì)胞死亡，但大多數(shù)細(xì)胞已成功整合到電極中。結(jié)果，研究小組得出結(jié)論，他們的方法有潛力用于創(chuàng)建尺寸最小為50nm的未來主義微觀可植入設(shè)備。首席研究員安德烈·科爾馬科夫（Andrei Kolmakov）總結(jié)說：“我們正在將新工具（在液體中工作的電子束和X射線）引入3D打印。”

納米級增材制造

考慮到納米級3D打印物體的潛在用途范圍，科學(xué)家近年來尋求優(yōu)化技術(shù)并生產(chǎn)出越來越小的物體也就不足為奇了。代頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種增強(qiáng)的，具有成本效益的3D打印納米級結(jié)構(gòu)方法。事實(shí)證明，光熱機(jī)械（OTM）納米印刷技術(shù)能夠以小于100nm的規(guī)模進(jìn)行印刷。

弗勞恩霍夫微工程與微系統(tǒng)研究所（IMM）的科學(xué)家們正在開發(fā)一種使用多光子光刻技術(shù)來創(chuàng)建納米級金屬3D打印結(jié)構(gòu)的新穎工藝。通過該項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是制造具有比使用直接能量沉積（DED）工藝生產(chǎn)的零件更小的特征的零件。

加州理工學(xué)院（Caltech）的一個小組已使用兩光子光刻方法對不大于100nm的3D打印金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了處理。據(jù)報(bào)道，該技術(shù)能夠制造比任何其他金屬制造工藝“小一個數(shù)量級”的金屬特征。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/xin3Ddayinjishu/39650.html