Une structure à l'échelle millimétrique avec des caractéristiques submicroniques est supportée par un sou américain au-dessus d'une surface réfléchissante. Crédit :Vu Nguyen et Sourabh Saha
En utilisant une nouvelle méthode basée sur le temps pour contrôler la lumière d'un laser ultrarapide, les chercheurs ont développé une technique d'impression 3-D à l'échelle nanométrique qui peut fabriquer de minuscules structures 1000 fois plus rapidement que les techniques conventionnelles de lithographie à deux photons (TPL), sans sacrifier la résolution.
Malgré le débit élevé, la nouvelle technique parallélisée - connue sous le nom de projection femtoseconde TPL (FP-TPL) - produit une résolution en profondeur de 175 nanomètres, ce qui est meilleur que les méthodes établies et peut fabriquer des structures avec des surplombs à 90 degrés qui ne peuvent pas être réalisés actuellement. La technique pourrait conduire à une production à grande échelle de bioéchafaudages, électronique souple, interfaces électrochimiques, micro-optique, métamatériaux mécaniques et optiques, et d'autres micro- et nanostructures fonctionnelles.
L'oeuvre, rapporté le 3 octobre dans le journal Science , a été réalisée par des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l'Université chinoise de Hong Kong. Sourabh Saha, l'auteur principal et correspondant de l'article, est maintenant professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology.
Les techniques existantes de fabrication additive à l'échelle nanométrique utilisent un seul point de lumière à haute intensité, généralement d'environ 700 à 800 nanomètres de diamètre, pour convertir les matériaux photopolymères liquides en solides. Parce que le point doit balayer toute la structure en cours de fabrication, la technique TPL existante peut nécessiter de nombreuses heures pour produire des structures 3-D complexes, ce qui limite sa capacité à être étendue pour des applications pratiques.
"Au lieu d'utiliser un seul point de lumière, nous projetons un million de points simultanément, " a déclaré Saha. " Cela augmente considérablement le processus car au lieu de travailler avec un seul point qui doit être numérisé pour créer la structure, nous pouvons utiliser tout un plan de lumière projetée. Au lieu de focaliser sur un seul point, nous avons un plan focalisé entier qui peut être modelé en structures arbitraires."
Pour créer un million de points, les chercheurs utilisent un masque numérique similaire à ceux utilisés dans les projecteurs pour créer des images et des vidéos. Dans ce cas, le masque commande un laser femtoseconde pour créer le motif lumineux souhaité dans le matériau polymère liquide précurseur. La lumière à haute intensité provoque une réaction de polymérisation qui transforme le liquide en solide, où désiré, pour créer des structures 3D.
Une structure en anneau 3D empilée générée par le chevauchement de plusieurs projections dans l'espace 3D. Des structures 3D arbitrairement complexes peuvent être générées grâce à cette technique d'impression 3D à l'échelle nanométrique résolue en profondeur. Crédit :Vu Nguyen et Sourabh Saha
Chaque couche de la structure fabriquée est formée par une rafale de 35 femtosecondes de lumière de haute intensité. Le projecteur et le masque sont ensuite utilisés pour créer couche après couche jusqu'à ce que toute la structure soit produite. Le polymère liquide est ensuite éliminé, laissant derrière lui le solide. La technique FP-TPL permet aux chercheurs de produire en huit minutes une structure qui prendrait plusieurs heures à produire en utilisant des procédés antérieurs.
"Le système parallèle à deux photons qui a été développé est une percée dans l'impression à l'échelle nanométrique qui permettra de réaliser les performances remarquables des matériaux et des structures à cette échelle de taille dans des composants utilisables, " a déclaré Chris Spadaccini, directeur du Centre des matériaux d'ingénierie et de la fabrication de LLNL.
Contrairement à l'impression 3D grand public qui utilise des particules pulvérisées sur une surface, la nouvelle technique va en profondeur dans le précurseur liquide, permettant la fabrication de structures qui ne pourraient pas être produites avec la fabrication de surface seule. Par exemple, la technique peut produire ce que Saha appelle un "pont impossible" avec des surplombs à 90 degrés et avec plus d'un 1, 000:1 rapport hauteur/largeur de la longueur à la taille de l'élément. "Nous pouvons projeter la lumière à n'importe quelle profondeur que nous voulons dans le matériau, donc on peut faire des structures suspendues en 3D, " il a dit.
Les chercheurs ont imprimé des structures suspendues d'un millimètre de long entre des bases inférieures à 100 microns sur 100 microns. La structure ne s'effondre pas pendant la fabrication car le liquide et le solide ont à peu près la même densité et la production se produit si rapidement que le liquide n'a pas le temps d'être perturbé.
Au-delà des ponts, les chercheurs ont fait une variété de structures choisies pour démontrer la technique, y compris les micro-piliers, cubes, bûches, fils et spirales. Les chercheurs ont utilisé des précurseurs polymères classiques, mais Saha pense que la technique fonctionnerait également pour les métaux et les céramiques qui peuvent être générés à partir de polymères précurseurs.
« La véritable application pour cela serait dans la production à l'échelle industrielle de petits appareils qui peuvent être intégrés dans des produits plus grands, tels que les composants des smartphones, ", a-t-il déclaré. "La prochaine étape consiste à démontrer que nous pouvons imprimer avec d'autres matériaux pour élargir la palette de matériaux."
Structures 3D en surplomb imprimées par assemblage de plusieurs projections 2D, démontrant la capacité d'imprimer des caractéristiques résolues en profondeur. La structure du pont, avec porte-à-faux à 90 degrés, est difficile à imprimer à l'aide des techniques de numérisation série TPL. Crédit :Vu Nguyen et Sourabh Saha
Des groupes de recherche travaillent depuis des années pour accélérer le processus de lithographie à deux photons utilisé pour produire des structures 3D à l'échelle nanométrique. Le succès de ce groupe est venu d'adopter une manière différente de focaliser la lumière, en utilisant ses propriétés de domaine temporel, ce qui a permis la production de feuilles légères très minces capables de haute résolution et de minuscules caractéristiques.
L'utilisation du laser femtoseconde a permis à l'équipe de recherche de maintenir une intensité lumineuse suffisante pour déclencher la polymérisation du processus à deux photons tout en gardant la taille des points fine. Dans la technique FP-TPL, les impulsions femtosecondes sont étirées et compressées lors de leur passage dans le système optique pour mettre en œuvre une focalisation temporelle. Le processus, qui peut générer des caractéristiques 3D plus petites que la diffraction limitée, tache lumineuse focalisée, nécessite que deux photons frappent simultanément les molécules précurseurs liquides.
"Traditionnellement, il y a des compromis entre vitesse et résolution, " Saha a dit. " Si vous voulez un processus plus rapide, vous perdriez la résolution. Nous avons rompu ce compromis d'ingénierie, nous permettant d'imprimer 1000 fois plus vite avec la plus petite des fonctionnalités."
Chez Georgia Tech, Saha a l'intention de continuer à faire avancer le travail avec de nouveaux matériaux et à étendre davantage le processus.
"Jusque là, nous avons montré que nous pouvons faire assez bien sur la vitesse et la résolution, " a-t-il dit. " Les prochaines questions seront de savoir dans quelle mesure nous pouvons prédire les caractéristiques et dans quelle mesure nous pouvons contrôler la qualité à grande échelle. Cela demandera plus de travail pour comprendre le processus lui-même."
