La stampa in 3d di microdisegni grazie alla Diffusione d’Ossigeno con una nuova tecnologia fotolitografica

Ricercatori della Corea del Sud   usando la tecnica della diffusione di  ossigeno Stampano in 3d dei  microdisegni

Diffusione d'ossigeno tecnica fotolitografica corea del sud 01 La Diffusione d’Ossigeno  descrive il fatto che le molecole vibrando, con movimento casuale in un gas o  in un liquido, tendono verso uno stato di equilibrio in cui le specie molecolari in una miscela siano uniformemente disperse finché la concentrazione di una specie diventa la stessa in tutto il mezzo. Si tratta di una sorta di questione di diritto secondo Fick, e le leggi di Fick sono  utilizzate per modellare i processi di trasporto di alimenti, nei neuroni, nei biopolimeri, nei prodotti farmaceutici, nei terreni porosi e nei materiali nucleari. (Nell’ambito della matematica e dei fenomeni di trasporto, le leggi di Fick sono equazioni differenziali alle derivate parziali ellittiche non lineari che descrivono le variazioni di concentrazione nei materiali in cui sono in atto fenomeni di diffusione molecolare in assenza di diffusione termica, che invece viene tenuta in conto dalla più generale legge di Soret. Prendono il nome dal fisiologo tedesco Adolf Fick che per primo le sviluppò nel 1855.
Un esempio pratico di diffusione può essere quello di una goccia di caffè in una tazza di latte: attraverso la diffusione le sostanze che costituiscono la goccia di caffè si muovono (o meglio “diffondono”) nel latte miscelandosi ad esso e tale moto di diffusione continua fino all’ottenimento di una miscela di concentrazione uniforme; l’uniformità della concentrazione è indicata dal fatto che la miscela di caffè e latte ottenuta presenta un colore uniforme.
La legge di Fick viene anche utilizzata nello studio del trasporto di materia attraverso membrane biologiche
 
La  comprensione della legge di Fick  ha portato il professor Shin-Hyun Kim e un team di ricercatori che lavorano presso il Dipartimento di Chimica biomolecolare  del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) a sviluppare una nuova tecnologia fotolitografica che utilizza la diffusione dell’ossigeno per controllare la creazione di forme funzionali, e micropattern in 3D.

La Fotolitografia è un processo ottico per il trasferimento di microdisegni a vari substrati esponendo regioni specifiche di quello che è chiamato un  livello “di resina fotosensibile” a una sorgente di luce ultravioletta. Le industrie che richiedono tali microdisegni, sono ad esempio quelle per  la produzione di semiconduttori con fotomaschere

Queste fotomaschere proteggono regioni specifiche del substrato dalla luce di ingresso UV, e le parti coperte dalla fotomaschera rimangono intatte mentre le  aree esposte alla luce UV vengono lavate via. Finora, questa tecnologia è stata limitata per  fabbricare, disegni discoidali bidimensionali. Il problema con la creazione di altri tipi di forme si ha  perché i confini tra le regioni esposte e coperte sono in una disposizione parallela alla direzione della luce UV.

La squadra di Kim ha scoperto però è un’osservazione duplice: le aree esposte alla luce UV abbassano la concentrazione di ossigeno in quella zona, e la manipolazione della velocità di diffusione e la direzione consentono il controllo della formazione,della  forma e della dimensione dei polimeri.

Questa osservazione li ha portati a una nuova tecnologia fotolitografica che ha permesso la produzione di microdisegni-con strutture-in varie forme e dimensioni tridimensionali.

Kim ci dice che l’ossigeno era considerato un inibitore durante la fotopolimerizzazione, infatti la resina fotosensibile ai raggi UV crea radicali che inizializzano una reazione chimica. Luie la sua squadra hanno eliminato questi radicali introducendo la presenza di ossigeno per impedire la reazione.

Secondo Kim, lui e la sua squadra hano  sfruttato la presenza di ossigeno in quanto hanno trovato che mentre la regione colpita dalla luce UV abbassa la concentrazione di ossigeno, la concentrazione nelle regioni incontaminate è rimasta invariata. Quando la velocità del flusso di ossigeno è lenta, la diffusione avviene parallelamente alla direzione della luce UV. Quando è accelerata, il processo di diffusione si sviluppa in orizzontale e verso l’esterno dalla zona interessata dalla luce UV.

Kim e la sua squadra hanno dimostrato questo fenomeno sia empiricamente e sia teoricamente, iniettando una sorgente di ossigeno esterna, la squadra ha trovato di poter manipolare la forza e la direzione di diffusione per controllare la forma e le dimensioni dei polimeri all’interno.

Utilizzando questi inibitori di polimerizzazione, hanno trovato che era possibile creare , microdisegni tridimensionali complessi.

“Mentre la stampa 3D è considerata una innovativa tecnologia di produzione, non può essere utilizzata per la produzione di massa di prodotti microscopici,” ci dice il professor Kim. “La nuova tecnologia fotolitografica avrà un’ampio impatto accademico e industriale soprattutto perché,  le attrezzature fotolitografiche  convenzionale esistenti possono essere utilizzate per lo sviluppo di microdisegni più complessi.”

Kim dice che la ricerca è stata dedicata al compianto professor Seung-Man Yang del Dipartimento di Chimica e biomolecolare al KAIST. Il professor Yang è  considerato uno dei più grandi studiosi in Corea nel campo dell’idrodinamica e dei colloidi.

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