Eine einfache, skalierbare Methode zur 3D-Druck von helikalen Nanostrukturen mit Licht

18. März 2024

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von Patricia DeLacey, Universität von Michigan College of Engineering

Ein neuer Herstellungsprozess für schraubenförmige Metall-Nanopartikel bietet eine einfachere, billigere Möglichkeit, ein für biomedizinische und optische Geräte unerlässliches Material schnell zu produzieren, so eine Studie von Forschern der Universität von Michigan.

"Einer unserer Motivationen ist es, die Herstellung komplexer Materialien, die in vielen aktuellen Technologien Engpässe darstellen, drastisch zu vereinfachen", sagt Nicholas Kotov, der Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering an der U-M und Co-Korrespondenzautor der in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichten Studie.

Chirale Oberflächen - das bedeutet, die Oberfläche hat keine Spiegelsymmetrie (z.B. eine linke und rechte Hand) - die das Licht auf der Nanoskala ablenken können, sind sehr gefragt. Die neue Studie zeigt eine Möglichkeit, sie durch 3D-Druck von "Wäldern" aus nanoskaligen Helixen herzustellen. Das Ausrichten der Helixachsen mit einem Lichtstrahl erzeugt starke optische Rotation, wodurch die Chiralität in Gesundheits- und Informationstechnologien genutzt werden kann, in denen Chiralität häufig ist.

Chirale Oberflächen aus plasmonischen Metallen sind noch wünschenswerter, weil sie eine große Familie von sehr empfindlichen Biodetektoren erzeugen können. Zum Beispiel können sie spezifische Biomoleküle - produziert von gefährlichen antibiotikaresistenten Bakterien, mutierten Proteinen oder DNA - detektieren, was die Entwicklung von gezielten Therapeutika unterstützt. Diese Materialien bieten auch das Potenzial, Informationstechnologien voranzutreiben, indem sie größere Speicherkapazitäten und schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten durch die Interaktion von Licht mit elektronischen Systemen (d.h. Glasfaserkabel) schaffen.

Obwohl diese speziellen 3D-strukturierten Oberflächen aus aufrechten Helixen dringend benötigt werden, sind die traditionellen Methoden zu ihrer Herstellung komplex, teuer und erzeugen viel Abfall.

Am häufigsten werden diese Materialien mit hochspezialisierten Geräten hergestellt - wie zum Beispiel der Zwei-Photonen-3D-Lithografie oder der Ionen-/Elektronenstrahl-induzierten Abscheidung - die nur in wenigen High-End-Einrichtungen zur Verfügung stehen. Obwohl sie genau sind, beinhalten diese Methoden zeitaufwändige, mehrstufige Prozesse bei niedrigem Druck oder hohen Temperaturen.

Der 3D-Druck wurde als Alternative vorgeschlagen, aber die vorhandenen 3D-Drucktechnologien erlauben keine nanoskalige Auflösung. Als Lösung entwickelte das Forschungsteam der U-M eine Methode, die schraubenförmige Lichtstrahlen verwendet, um nanoskalige Helixen mit spezifischer Händigkeit und Steigung zu erzeugen.

"Chirale plasmonische Oberflächen im Zentimetermaßstab können innerhalb von Minuten mit preiswerten Mittelleistungslasern hergestellt werden. Es war erstaunlich zu sehen, wie schnell diese Helixwälder wachsen", sagte Kotov.

Der 3D-Druck von helikalen Strukturen mit schraubenförmigem Licht basiert auf der Licht-zu-Materie-Chiralitätsübertragung, die vor etwa 10 Jahren an der U-M entdeckt wurde.

Einstufiger, maskenfreier, Direktdruck aus wässrigen Silbersalzlösungen bietet eine Alternative zur Nanolithographie und fördert die 3D-additive Fertigung. Die Verarbeitungseinfachheit, die hohe Polarisationsrotation und die feine räumliche Auflösung des lichtgesteuerten Drucks von Helixen aus Metall werden die Herstellung komplexer Nanoarchitekturen für die nächste Generation von optischen Chips stark beschleunigen.

Zur Verfügung gestellt von der Universität von Michigan College of Engineering