Фоторезисты – это печатные краски, используемые для печати мельчайших микроструктур в трех измерениях с помощью так называемой двухфотонной литографии. Во время печати лазерный луч перемещается во всех пространственных направлениях через изначально жидкий фоторезист.
Фоторезист затвердевает только в фокусе лазерного луча. Постепенно таким образом можно создавать сложные микроструктуры. На втором этапе растворитель используется для удаления тех участков, которые не подвергались воздействию радиации. Сохраняются сложные полимерные структуры в микрометровом и нанометровом диапазонах.
Двухфотонная полимеризация – или двухфотонная микропечать, основанная на этом процессе – уже несколько лет активно изучается, в частности, в отношении производства микрооптики, так называемых метаматериалов и микроскаффолдов для экспериментов с отдельными биологическими клетками. Для расширения спектра приложений требуются новые материалы для печати. Это отправная точка ученых, участвующих в кластере передовых технологий 3D Matter Made to Order (3DMM2O) KIT и Гейдельбергского университета. «С помощью обычных фоторезистов можно было печатать только прозрачные стеклообразные полимеры», – говорит Фредерик Майер, физик KIT и главный автор исследования. «Наш новый фоторезист впервые позволяет печатать трехмерные микроструктуры из пористой нано-пены.
Эта полимерная пена имеет полости размером от 30 до 100 нм, которые заполнены воздухом."
От прозрачного к белому
«Никогда не существовало фоторезиста для 3D-лазерной микропечати, с помощью которого можно было бы печатать« белый »материал», – отмечает Фредерик Майер.
Как и в пористой яичной скорлупе, из-за множества маленьких воздушных отверстий в пористой наноархитектуре они кажутся белыми. Добавление белых частиц в обычный фоторезист не приведет к такому эффекту, потому что фоторезист должен быть прозрачным для (красного) лазерного луча во время печати. «Наш фоторезист, – говорит Майер, – перед печатью прозрачен, но напечатанные объекты белые и имеют высокую отражательную способность."Исследователи из Карлсруэ и Гейдельберга продемонстрировали это, напечатав шар Ульбрихта (оптический компонент) тонкой, как волос.
Еще одним фактором, открывающим новые возможности применения, является чрезвычайно большая внутренняя поверхность пористого материала. Это может быть полезно для процессов фильтрации на минимальном пространстве, для получения водоотталкивающих покрытий или для культивирования биологических клеток.
Сотрудничество трех из девяти исследовательских направлений Cluster of Excellence выявило области применения, для которых подходит новый фоторезист, и как его можно применить наилучшим образом.
С помощью сканирования с помощью электронной микроскопии и оптических экспериментов исследователи показали, как полости распределяются в печатных структурах и как можно контролировать их образование, варьируя параметры печати и, в частности, интенсивность лазерных импульсов. Работа в кластере передового опыта проводилась материаловедами из Гейдельбергского университета, а также химиками и физиками из KIT.