Les chercheurs du LLNL peuvent imprimer des réseaux de tas de bois avec des caractéristiques submicroniques représentant une fraction de la largeur d'un cheveu humain. Crédit :Jacob Long et Adam Connell/LLNL
Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert de nouvelles façons d'étendre les capacités de la lithographie à deux photons (TPL), une technique d'impression 3D haute résolution capable de produire des caractéristiques à l'échelle nanométrique plus petites qu'un centième de la largeur d'un cheveu humain.
Les résultats, récemment publié en couverture de la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS , libère également le potentiel de la tomodensitométrie (CT) à rayons X pour analyser le stress ou les défauts de manière non invasive dans les dispositifs médicaux ou les implants imprimés en 3D intégrés.
La lithographie à deux photons nécessite généralement une lame de verre mince, une lentille et une huile à immersion pour aider la lumière laser à se concentrer sur un point fin où le durcissement et l'impression se produisent. Elle diffère des autres méthodes d'impression 3D par sa résolution, parce qu'il peut produire des caractéristiques plus petites que le point lumineux laser, une échelle qu'aucun autre procédé d'impression ne peut égaler. La technique contourne la limite de diffraction habituelle des autres méthodes car le matériau photorésistant qui durcit et durcit pour créer des structures - auparavant un secret commercial - absorbe simultanément deux photons au lieu d'un.
Dans le journal, Les chercheurs du LLNL décrivent déchiffrer le code sur des matériaux résistants optimisés pour la lithographie à deux photons et former des microstructures 3D avec des caractéristiques inférieures à 150 nanomètres. Les techniques précédentes construisaient des structures à partir de zéro, limiter la hauteur des objets car la distance entre la lame de verre et l'objectif est généralement de 200 microns ou moins. En renversant le processus – en plaçant le matériau de réserve directement sur la lentille et en focalisant le laser à travers la réserve – les chercheurs peuvent désormais imprimer des objets de plusieurs millimètres de hauteur. Par ailleurs, les chercheurs ont pu régler et augmenter la quantité de rayons X que le photopolymère pouvait absorber, améliorant l'atténuation de plus de 10 fois par rapport aux résines photosensibles couramment utilisées pour la technique.
Les chercheurs du LLNL ont imprimé des structures en treillis d'octets avec des caractéristiques submicroniques sur une base solide d'un diamètre similaire à celui des cheveux humains. Crédit :James Oakdale/LLNL
"Dans ce document, nous avons percé les secrets pour fabriquer des matériaux personnalisés sur des systèmes de lithographie à deux photons sans perdre en résolution, " a déclaré James Oakdale, chercheur au LLNL, un co-auteur sur le papier.
Parce que la lumière laser se réfracte lorsqu'elle traverse le matériau photorésistant, le pivot pour résoudre le puzzle, les chercheurs ont dit, était "l'appariement d'indice" - découvrir comment faire correspondre l'indice de réfraction du matériau de réserve au milieu d'immersion de la lentille afin que le laser puisse traverser sans entrave. La correspondance d'index ouvre la possibilité d'imprimer des pièces plus grandes, ils ont dit, avec des caractéristiques aussi petites que 100 nanomètres.
"La plupart des chercheurs qui souhaitent utiliser la lithographie à deux photons pour imprimer des structures 3D fonctionnelles veulent des pièces de plus de 100 microns, " a déclaré Sourabh Saha, l'auteur principal du journal. "Avec ces résists à indice apparié, vous pouvez imprimer des structures aussi hautes que vous le souhaitez. La seule limite est la vitesse. C'est un compromis, mais maintenant que nous savons comment faire, nous pouvons diagnostiquer et améliorer le processus."
Grâce au procédé d'impression 3D par lithographie à deux photons (TPL), les chercheurs peuvent imprimer des treillis de tas de bois avec des caractéristiques submicroniques représentant une fraction de la largeur d'un cheveu humain. Crédit :James Oakdale/LLNL
En ajustant l'absorption des rayons X du matériau, les chercheurs peuvent désormais utiliser la tomographie par rayons X comme outil de diagnostic pour imager l'intérieur de pièces sans les ouvrir ou pour étudier des objets imprimés en 3D intégrés à l'intérieur du corps, tels que les stents, prothèses articulaires ou échafaudages osseux. Ces techniques pourraient également être utilisées pour produire et sonder la structure interne des cibles pour le National Ignition Facility, ainsi que des métamatériaux optiques et mécaniques et des batteries électrochimiques imprimées en 3D.
Le seul facteur limitant est le temps qu'il faut pour construire, les chercheurs chercheront ensuite à paralléliser et à accélérer le processus. Ils ont l'intention de passer à des fonctionnalités encore plus petites et d'ajouter plus de fonctionnalités à l'avenir, utiliser la technique pour construire du réel, pièces critiques.
"C'est une toute petite pièce du puzzle que nous avons résolu, mais nous sommes beaucoup plus confiants dans nos capacités pour commencer à jouer dans ce domaine maintenant, " Saha a déclaré. "Nous sommes sur une voie où nous savons que nous avons une solution potentielle pour différents types d'applications. Notre effort pour des fonctionnalités de plus en plus petites dans des structures de plus en plus grandes nous rapproche de l'avant-garde de la recherche scientifique que le reste du monde fait. Et côté application, nous développons de nouvelles façons pratiques d'imprimer des choses. "
