Des maisons aux appareils auditifs, l’impression tridimensionnelle (3D) révolutionne la façon dont nous créons des structures complexes à grande échelle. En zoomant jusqu'aux niveaux micro et nano, un processus connu sous le nom de lithographie par polymérisation à deux photons (TPL) permet aux scientifiques et aux ingénieurs de construire des objets avec une précision microscopique, ce qui a de vastes implications pour des industries allant de la médecine à l'industrie manufacturière.

En informatique et en communication, par exemple, le TPL peut être utilisé pour développer de nouveaux matériaux optiques, tels que des cristaux photoniques capables de manipuler la lumière de nouvelles manières. Cependant, malgré ses promesses, certains défis subsistent pour exploiter pleinement son potentiel. Le principal d'entre eux est le défi consistant à obtenir un retrait uniforme et des tailles de caractéristiques inférieures à la longueur d'onde de la lumière visible, ce qui est essentiel lorsqu'il s'agit de manipulation avancée de la lumière.

Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Joel Yang du pilier Développement de produits d'ingénierie de l'Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), en collaboration avec leurs homologues du Centre de technologie industrielle de la préfecture de Wakayama au Japon, a introduit une nouvelle méthode qui garantit un retrait uniforme des structures imprimées en 3D lors du traitement thermique. Cela affine encore l'utilisation du TPL dans la production de caractéristiques de haute précision à l'échelle nanométrique.

Leur document de recherche, "Processus de sélection et de placement pour le rétrécissement uniforme des matériaux micro- et nano-architecturés imprimés en 3D", a été publié dans Nature Communications. .

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé une couche d'alcool polyvinylique, ou PVA, sur le substrat d'impression pour faciliter le lavage et le transfert des pièces imprimées en 3D sur un substrat séparé, permettant ainsi une réduction contrôlée et uniforme des pièces imprimées en 3D. La fixation lâche sur le nouveau substrat permet à la base des structures de glisser tandis que l'impression 3D globale se rétrécit uniformément pendant le chauffage.

Cette approche simple mais efficace évite le problème du retrait non uniforme provoqué par la fixation de la structure à la surface sur laquelle elle a été imprimée. Cela ouvre également des possibilités de transfert de pièces microscopiques imprimées en 3D pour les intégrer à d'autres appareils ou sur des substrats non adaptés au TPL.

Yang s'est inspiré de la nature pour cette technique, déclarant :« Tout comme les vers de terre s'étirent et se contractent pour se déplacer sur les surfaces, nous pensions pouvoir permettre à nos structures 3D de « glisser » jusqu'à une taille plus petite sans distorsion. »

Selon Tomohiro Mori, premier auteur de l'article et chercheur invité du Centre de technologie industrielle de la préfecture de Wakayama, « la géométrie complexe de la mascotte de la préfecture de Wakayama, avec ses diverses courbes, bosses et creux, en faisait un sujet idéal pour mettre en valeur l'efficacité de notre technique. . Le retrait uniforme réussi d'un modèle aussi détaillé suggère que notre méthode pourrait être adaptée à n'importe quelle forme, quelle que soit sa forme ou la solidité de la plate-forme sur laquelle elle est placée. "

L'approche de l'équipe permet de créer des structures finement détaillées qui dépassent ce que leur équipement d'impression peut produire à l'origine, brisant les barrières précédentes de résolution et de rigidité des matériaux associées aux objets imprimés en 3D.

En tirant parti de ce nouveau processus de rétrécissement, les chercheurs peuvent également affiner les caractéristiques des structures imprimées en 3D à tel point qu’elles peuvent jouer de nouveaux rôles, tels que des indicateurs visuels grâce à leur capacité à afficher les couleurs structurelles. Plus important encore, ces couleurs ne sont pas dues à des colorants mais proviennent de la structure interne du matériau qui, lorsqu'elle est réduite, interagit avec la lumière de manière à modifier son apparence.

Cela introduit de nouvelles fonctions aux matériaux. "Par exemple, l'incorporation dans les structures de certaines molécules appelées chromophores, sensibles à différents types de lumière, pourrait nous permettre de concevoir des matériaux qui changent de couleur en réponse à des conditions d'éclairage spécifiques", a expliqué Yang. "Cela a des applications pratiques dans la lutte contre la contrefaçon, où les articles peuvent être vérifiés comme étant authentiques grâce à des couleurs structurelles distinctes et aux propriétés d'émission de ces matériaux."

La technologie développée par l'équipe de recherche est prometteuse dans des secteurs tels que l'électronique, où elle peut être utilisée pour fabriquer des dissipateurs thermiques complexes nécessaires au refroidissement d'appareils hautes performances tels que les GPU et les CPU de pointe.

Le rétrécissement constant des composants imprimés ouvre également des applications dans des domaines qui nécessitent une haute fidélité dans la structuration des matériaux, tels que les pièces mécaniques aux géométries complexes, les éléments optiques dotés de capacités précises de manipulation de la lumière et les dispositifs acoustiques capables de contrôler le son avec une plus grande précision.

Pour l’avenir, les chercheurs prévoient d’étendre les applications de leur technique au-delà du matériau de résine polymère actuellement utilisé dans leur étude. En appliquant leur méthode à des matériaux ayant des indices de réfraction plus élevés, ils visent à créer des cristaux photoniques plus efficaces, ce qui pourrait améliorer les technologies des lasers, des systèmes d'imagerie et des capteurs optiques.

En outre, l’équipe de recherche travaille également à affiner le contrôle de l’espacement dans les structures imprimées afin de produire des modèles 3D en couleur capables de contrôler avec précision la manière dont la lumière est manipulée. Cela inclut des efforts pour transférer et positionner avec précision ces structures sur de grandes surfaces ou en quantités importantes, en maintenant la haute précision requise pour ces applications avancées.

Plus d'informations : Tomohiro Mori et al, Processus de sélection et de placement pour le rétrécissement uniforme de matériaux micro- et nano-architecturés imprimés en 3D, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-41535-9

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Université de technologie et de design de Singapour