Lograr una contracción uniforme de nanoestructuras impresas en 3D

La impresión 3D está transformando la producción de estructuras complejas a gran escala, afectando todo, desde las viviendas hasta los audífonos.

A micro y nanoescala, la litografía de polimerasa de dos fotones (TPL) permite la construcción precisa de objetos. Este proceso tiene amplias implicaciones en todas las industrias, desde la medicina hasta la fabricación, debido a su capacidad para lograr una precisión microscópica en las creaciones.

TPL muestra aplicaciones prometedoras en informática y comunicaciones al facilitar la creación de materiales ópticos innovadores, como cristales fotónicos, que pueden manejar la luz de manera diferente.

Sin embargo, aprovechar todo su potencial enfrenta obstáculos, principalmente centrados en lograr una contracción uniforme y tamaños más pequeños que la longitud de onda de la luz visible. Este control preciso es crucial para el procesamiento avanzado de la luz y sigue siendo un gran desafío a superar.

Para abordar este obstáculo, el profesor Joel Yang, que dirige un equipo del Departamento de Desarrollo de Productos de Ingeniería de la Universidad, se propuso abordar este obstáculo. Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD), en cooperación con expertos del Centro de Tecnología Industrial de la prefectura de Wakayama en Japón.

Juntos han creado una nueva tecnología que tiene como objetivo lograr una contracción uniforme en estructuras impresas en 3D durante el tratamiento térmico. Este método representa un avance importante en la mejora de la aplicación de TPL para producir características a nanoescala excepcionalmente finas.

La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza.

Los científicos utilizaron una capa de poli(alcohol vinílico), o PVA, sobre el sustrato de impresión para ayudar a lavar las piezas impresas en 3D y transferirlas a un sustrato separado, permitiendo así una reducción controlada y uniforme de las piezas impresas en 3D. La fijación suelta sobre el nuevo sustrato permite que la base de las estructuras se deslice a medida que la impresión 3D general se contrae uniformemente durante el calentamiento.

El problema de la contracción irregular resultante de la adhesión de la estructura a la superficie sobre la que se imprime se aborda mediante un enfoque sencillo y eficaz. Se ha abierto la opción de transferir piezas microscópicas impresas en 3D para su integración con otros dispositivos o sobre sustratos adecuados para TPL.

Así como las lombrices de tierra se expanden y contraen para moverse a través de las superficies, pensamos que podríamos permitir que nuestras estructuras 3D se «deslizaran» a un tamaño más pequeño sin distorsionarse..

Joel K. W. Yang, autor, Desarrollo de productos de ingeniería, Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur

Yang se inspiró en la naturaleza para desarrollar esta tecnología innovadora.

La compleja geometría de la mascota de la prefectura de Wakayama (con sus diversas curvas, protuberancias y desniveles) la convirtió en un tema ideal para mostrar la eficacia de nuestra tecnología. La exitosa contracción uniforme de un modelo tan detallado indica que nuestro método se puede adaptar a cualquier forma, independientemente de su forma o de la rigidez de la plataforma sobre la que se coloca..

Tomohiro Mori, primer autor e investigador visitante, Centro de Tecnología Industrial de la Prefectura de Wakayama

Su método permite la fabricación de estructuras intrincadamente detalladas que superan las limitaciones inherentes de su equipo de impresión. Este logro supera las limitaciones anteriores relacionadas con la precisión y la rigidez del material típicamente asociadas con los objetos impresos en 3D.

Utilizando esta técnica de contracción, los investigadores pueden mejorar las características de las estructuras impresas en 3D para realizar nuevas funciones, como actuar como indicadores visuales mostrando colores estructurales. Es importante destacar que estos colores surgen de la estructura interna del material y no de pigmentos. A medida que la estructura disminuye de tamaño, su interacción con la luz sufre cambios que modifican su apariencia visual.

Esto ofrece diferentes funciones a los materiales.

Por ejemplo, incorporar en estructuras moléculas específicas llamadas cromóforos, que son sensibles a diferentes tipos de luz, podría permitirnos diseñar materiales que cambien de color en respuesta a condiciones de iluminación específicas. Esto tiene aplicaciones prácticas en la lucha contra la falsificación, ya que se puede verificar la autenticidad de los artículos a través de los colores estructurales distintivos y las propiedades de emisión de estos materiales..

Joel K. W. Yang, autor, Desarrollo de productos de ingeniería, Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur

El método desarrollado por los investigadores encuentra aplicación en industrias como la electrónica, que se pueden utilizar para producir los complejos disipadores de calor necesarios para enfriar dispositivos de alto rendimiento como las GPU y CPU modernas.

La reducción continua de componentes impresos también permite aplicaciones en campos que requieren una estructuración de materiales de alta precisión, como piezas mecánicas con geometrías complejas, elementos ópticos con capacidades precisas de manipulación de la luz y dispositivos acústicos que pueden controlar el sonido con alta precisión.

De cara al futuro, los científicos planean ampliar las aplicaciones de su método más allá de la resina polimérica actual utilizada en la investigación. Los científicos pretenden producir cristales fotónicos más eficientes, que podrían mejorar las metodologías utilizadas en láseres, sistemas de imágenes y sensores ópticos, aplicando su método a materiales con índices de refracción más altos.

Además, el equipo también está trabajando para mejorar el control de distancia en estructuras impresas para producir modelos 3D a todo color que puedan controlar con precisión la forma en que se procesa la luz.

Sus esfuerzos incluyen transportar y colocar con precisión estas estructuras en áreas extensas o en grandes cantidades, manteniendo al mismo tiempo la precisión precisa que requieren estas aplicaciones avanzadas.

Referencia de la revista:

Mori, T., et al. (2023). Un proceso de recogida y colocación para una contracción uniforme de materiales impresos en 3D con micro y nanodiseño. Comunicaciones de la naturaleza. doi/s41467-023-41535-9

fuente: https://www.sutd.edu.sg/