Gli scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda hanno utilizzato la stampa 3D per fabbricare lenti a raggi X da materiali polimerici con caratteristiche di dimensioni nanometriche e capacità di messa a fuoco eccellenti. La nuova tecnica consente loro di produrre ogni singola lente al di sotto di un minuto con proprietà ottiche a raggi X estremamente vantaggiose, riducendo i costi di prototipazione e produzione. Gli scienziati hanno depositato un brevetto per la loro invenzione.
I microscopi a raggi X sono strumenti di imaging che combinano in modo unico la risoluzione di dimensioni nanometriche con una profondità di penetrazione elevata. La microscopia a raggi X o XRM è l’unica tecnica in cui è possibile studiare funzioni sepolte ad alta risoluzione, ad esempio, consente di vedere i difetti all’interno dell’unità di elaborazione centrale del computer senza distruggerlo, rendere visibili le micro macchine in condizioni di lavoro, e studiare gli organelli in una cellula in un ambiente naturale.
Tuttavia, la messa a fuoco dei raggi X richiede l’ottica con geometrie su scala nanometrica estremamente impegnative. Grazie al loro complesso metodo di nanofabbricazione, un singolo obiettivo può costare fino a diverse decine di migliaia di euro.
I reparti Modern Magnetic Systems e Physical Intelligence del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda si sono uniti per trovare un nuovo metodo meno costoso per realizzare i Kinoform 3D, lenti convergenti in grado di focalizzare efficacemente i raggi X. I cinoformi sono fabbricati in modelli approssimativi non ideali e richiedono complicati processi di fabbricazione a più fasi. È qui che entra in gioco la stampa 3D. Hanno scoperto che la nanoprinting 3D a due fotoni di femtosecondi è il metodo migliore per fabbricare questa ottica a raggi X diffrattivi.
“Abbiamo usato un laser a infrarossi (IR) a femtosecondo e una fotoresist che può polimerizzare assorbendo più fotoni infrarossi simultaneamente per scrivere strutture più piccole della lunghezza d’onda della luce”, spiega Umut T. Sanli, un dottorato di ricerca. studente del gruppo Micro / Nano Optics del Dipartimento dei sistemi magnetici moderni. “In questo modo, abbiamo raggiunto una geometria dell’obiettivo a raggi X estremamente complessa con caratteristiche di dimensioni nanometriche e un’elevatissima efficienza di messa a fuoco”, continua. Il risultato iniziale mostra che la cinoforma con stampa 3D utilizzando l’imaging radiografico diretto e la ptychography dimostra prestazioni superiori con un’efficienza che arriva fino al 20%.
L’ottica a raggi X degli XRM di solito deve essere sostituita quasi ogni anno a causa di danni da radiazioni. Pertanto è importante trovare processi produttivi ad alto rendimento e ad alto rendimento per realizzare obiettivi a raggi X.
“Scegliere i materiali giusti è una parte cruciale del processo di produzione”, spiega il dott. Kahraman Keskinbora, che guida il gruppo Micro / Nano. Lui e il suo team hanno scelto polimeri a polimerizzazione a due fotoni (2PP) per fabbricare lenti a raggi X.
“Ci siamo resi conto che i polimeri 2PP sono dotati di proprietà ottiche a raggi X estremamente favorevoli che potevano essere abbinati solo al berillio – un elemento altamente tossico – e al diamante, che è molto costoso.” Inoltre, il berillio e il diamante sono entrambi difficili da modellare nei profili 3D richiesti su nanoscala. “Con la nuova invenzione, la stampa 3D di un obiettivo richiede meno di un minuto e, di conseguenza, i costi di prototipazione e produzione di obiettivi a raggi X sono fortemente ridotti. Inoltre, le lenti polimeriche sono sicure da produrre e una volta ottimizzate, la fabbricazione è semplice “, sottolinea il dott. Hakan Ceylan, ricercatore postdottorato nel dipartimento di Intelligence Fisica, guidato da Metin Sitti.
“Abbiamo fatto un passo avanti combinando diversi obiettivi in serie. Integrando varie ottiche, possiamo controllare e manipolare efficacemente il fronte d’onda a raggi X. Con diversi obiettivi e altri elementi di modellazione del fronte d’onda posizionati uno dopo l’altro, possiamo ottimizzare queste ottiche a raggi X anche per la gamma di raggi X estremamente rigida “, afferma Keskinbora. “Quindi, ci sono molti nuovi luoghi di ricerca da seguire.”
I ricercatori hanno presentato una domanda di brevetto per la loro invenzione con l’aiuto di Max-Planck-Innovation.
