Un photoresist per la microstampa a due fotoni per produrre microstrutture polimeriche tridimensionali con cavità di dimensioni nanometriche.

Un nuovo tipo di fotoresist consente la stampa 3D delle strutture porose più piccole
I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell’Università di Heidelberg hanno sviluppato un photoresist per la microstampa a due fotoni con cui, per la prima volta, è possibile produrre microstrutture polimeriche tridimensionali con cavità di dimensioni nanometriche. Nella rivista specializzata Advanced Materials, gli scienziati del cluster congiunto di eccellenza 3D Matter Made to Order riferiscono come è possibile controllare la porosità nel processo di stampa e come ciò influisce sulle proprietà di diffusione della luce delle microstrutture.

I fotoresist sono inchiostri da stampa che possono essere utilizzati per stampare in 3D le microstrutture più piccole utilizzando la cosiddetta litografia a due fotoni. Durante la stampa, un raggio laser viene spostato in tutte le direzioni spaziali attraverso il fotoresist inizialmente liquido. Qui il fotoresist si indurisce solo nel punto focale del raggio laser. A poco a poco, in questo modo possono essere costruite microstrutture complesse. In una seconda fase, un solvente lava via quelle aree che non sono state esposte. Ciò che resta sono architetture polimeriche complesse su scala micro e nanometrica.

La polimerizzazione a due fotoni – ovvero la microstampa a due fotoni basata su questo metodo – ricerca intensiva da alcuni anni – in termini indicativamente alla fabbricazione di microottiche, mediante cosiddetti meta-materiali o di micro strutture per esperimenti con singole cellule biologiche. Sono necessari nuovi materiali stampabili per espandere la gamma di applicazioni. È qui che entrano in gioco gli scienziati del Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order (3DMM2O) presso KIT e l’Università di Heidelberg: “Con i precedenti fotoresist, era possibile stampare solo polimeri trasparenti, simili al vetro”, spiega Frederik Mayer, autore principale dello studio e fisico in KIT. “Il nostro nuovo fotoresist rende possibile per la prima volta stampare microstrutture 3D da nano-schiuma porosa. Questa schiuma polimerica ha cavità di dimensioni comprese tra 30 e 100 nanometri riempite d’aria. “

Dal trasparente al bianco
“Fino ad ora non esisteva un fotoresist per la micro-stampa laser 3D che potesse essere utilizzato per stampare materiale ‘bianco’”, afferma Frederik Mayer. Come in un guscio d’uovo poroso, i numerosi minuscoli fori d’aria nelle nanostrutture porose le fanno apparire bianche. La semplice miscelazione di particelle bianche in una lacca convenzionale non sarebbe una soluzione, perché il fotoresist deve essere trasparente al raggio laser (rosso) durante la stampa. “La nostra lacca”, afferma Mayer, “è trasparente prima della stampa, ma gli oggetti stampati sono bianchi e quindi hanno un’elevata riflettività”. I ricercatori di Karlsruhe e Heidelberg dimostrano questa proprietà stampando una sottile sfera di integrazione, un componente l’ottica tecnica.

Un altro fattore che apre nuove possibilità è la superficie interna estremamente ampia del materiale poroso. Nei processi di filtraggio negli spazi più piccoli, con rivestimenti estremamente idrorepellenti o nella coltivazione di cellule biologiche, questo potrebbe un giorno avere un effetto positivo.

A cosa è adatto il nuovo tipo di fotoresist e come può essere utilizzato nel miglior modo possibile potrebbe essere descritto in una collaborazione globale di tre delle nove principali aree di ricerca del Cluster of Excellence. Utilizzando scansioni al microscopio elettronico ed esperimenti ottici, i ricercatori hanno mostrato come le cavità sono distribuite nelle strutture stampate e come la loro formazione può essere controllata anche modificando le impostazioni di pressione, in particolare la forza degli impulsi laser. I ricercatori di Heidelberg nel campo della scienza dei materiali e i ricercatori di Karlsruhe nel campo della chimica e della fisica hanno contribuito al lavoro in corso nel Cluster of Excellence.

Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order
Nel Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order ( 3DMM2O ), gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology e dell’Università di Heidelberg conducono ricerche interdisciplinari su tecnologie e materiali innovativi per processi di produzione additiva scalabili digitalmente al fine di rendere la stampa 3D più precisa, più veloce ed efficiente. L’obiettivo è digitalizzare completamente la produzione 3D e l’elaborazione dei materiali dalla molecola alla macrostruttura. Oltre al finanziamento come cluster di eccellenza nell’ambito della strategia di eccellenza federale e statale, 3DMM2O è finanziato dalla Fondazione Carl Zeiss.

Il microcilindro destro, stampato con il nuovo tipo di fotoresist, appare bianco perché la luce è diffusa nella sua struttura spugnosa, mentre il cilindro stampato dal fotoresist convenzionale appare trasparente

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