Freiraum-Nanodruck über optische Grenzen hinaus, um 4D-funktionale Strukturen zu schaffen.

7. Oktober 2023 Feature

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Die Zwei-Photonen-Polymerisation ist eine mögliche Methode zur Nanofabrikation, um Nanostrukturen basierend auf femtosekundenlaserbasierte Methoden zu integrieren. Herausforderungen im Bereich des 3D-Nanodrucks sind das langsame Schicht-für-Schicht-Drucken und begrenzte Materialoptionen aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Laser und Materie.

In einem neuen Bericht, der jetzt in Science Advances veröffentlicht wurde, zeigt Chenqi Yi und ein Team von Wissenschaftlern der Technologie-, Medizin- und Industrieingenieurwissenschaften an der Wuhan University in China und der Purdue University in den USA einen neuen 3D-Nanodruck-Ansatz namens Free-Space-Nanodruck unter Verwendung einer optischen Kraftbürste.

Dieses Konzept ermöglichte es ihnen, präzise und räumliche Schreibpfade jenseits optischer Grenzen zu entwickeln, um 4D-Funktionsstrukturen zu bilden. Die Methode erleichterte die schnelle Aggregation und Verfestigung von Radikalen zur Polymerisation mit erhöhter Empfindlichkeit für Laserenergie, um eine hohe Genauigkeit, freien Raum zum Malen ähnlich der chinesischen Pinselmalerei auf Papier zu bieten.

Mithilfe der Methode erhöhten sie die Druckgeschwindigkeit, um erfolgreich verschiedene bionische Muskelnmodelle aus 4D-Nanostrukturen mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften in Reaktion auf elektrische Signale und hervorragender Biokompatibilität zu drucken.

Nanogeräte und Nanostrukturen können mit hoher Auflösung und Geschwindigkeit entwickelt werden, um Produkte der nächsten Generation zu bilden. Die Halbleiterindustrie kann Lithographie, Abscheidung und Ätzen nutzen, um 3D-Strukturen aus einer Vielzahl von Materialien zu erzeugen, obwohl die hohen Verarbeitungskosten und die begrenzte Auswahl an Materialien die flexible Herstellung von 3D-Strukturen aus funktionalen Materialien beeinflussen können.

Materialwissenschaftler haben die polymerisationsbasierte Zwei-Photonen-Laserdirektschreibtechnik verwendet, um komplexe 3D-Nanostrukturen aus Mikro-/Nanopolymeren zur Bildung photonischer Quasikristalle, Metamaterialien und Nanoarchitekturen zu erzeugen.

Diese Methode ist jedoch nach wie vor durch eine langsame Druckgeschwindigkeit, treppenförmige Oberflächenstrukturen und begrenzte photovernetzbare Materialien begrenzt. In dieser Arbeit untersuchten Yi et al. das Freiraum-Laserschreiben, um zu analysieren, wie es photochemische Kräfte erzeugt, um eine auf optischer Kraft basierende Nanobürste zum Malen zu ermöglichen.

Wenn die Zeitskalen den Femtosekundenbereich erreichen, können Moleküle das Photon für eine Anregung in einen elektronisch höheren Zustand mit einer abstoßenden potenziellen Energieschale absorbieren, um freie Radikale zu erzeugen.

Wissenschaftler können Mehrphotonenabsorptionsmechanismen nutzen, um ultrakurze Pulsphotonenenergie in Molekülen zu absorbieren und den Elektronenübergang zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand zu aktivieren. Yi und Kollegen bestrahlten aktive Radikale mit einem Femtosekundenlaser, um die optischen Kräfte zu beschleunigen und sie zu Makromolekülen zu synthetisieren, um eine schnelle Verfestigung ohne Nachbearbeitung zu ermöglichen und gleichzeitig die thermische Bewegung der Lösungsmittelmoleküle zu minimieren.

Die Forscher entwickelten eine auf Hydrogel basierende Tinte, die beim Femtosekundenlaser-Schreiben durch Zwei-Photonen-Absorption aktiviert wurde, wobei Radikale im Gel die Photonenergie des Femtosekundenlasers aufnahmen. Während sich in den Molekülen freie Radikale bildeten, verband das Team die langkettigen Moleküle mit verschiedenen funktionellen Gruppen für eine Vielzahl von Anwendungen.

Die druckbare, auf Hydrogel basierende Tinte bot sehr biokompatible, elastische und flexible Bedingungen für mehrere Anwendungen von freien Nanostrukturen im Biomedizinbereich.

Der Laserstrahl bewegte sich im Lösungsmittel frei wie ein Stift im Raum und umfasste drei Schritte: Aktivierung, Aggregation und Verfestigung von freien Radikalen. Die Wissenschaftler kultivierten die Polymerisationsraten für die Zwei-Photonen-Polymerisation und die optische Kraftbürste separat mit einem Mehrphysik-Modell.

Dieser Ansatz verbesserte die Effizienz der Strukturschreibung erheblich durch eine schichtweise, linienweise Druckmethode, bei der die Anzahl der Schichten direkt mit der Dicke der Auflösung korreliert. Die Methode erleichterte auch eine deutlich verbesserte Effizienz und Genauigkeit der 3D-Nanostrukturschreibung. Die Forscher verfeinerten die experimentellen Ergebnisse, um zu zeigen, wie die auf die freien Radikale ausgeübte optische Kraft direkt mit der Anzahl der Pulse, der Intensität des Laserfelds und dem Absorptionskoeffizienten zusammenhängt.

As the femtosecond laser irradiated the material, the kinetic energy from the photons were exchanged with the active free radicals to move by the optical force, eventually resulting in sharp and high-resolution 3D nanoprinting. The team studied the fundamental mechanisms underlying these processes through numerical simulations via multiphysics simulations to examine the motion and composite process of the radicals.

This method allowed Yi and colleagues to print muscle, belly, and tendon tissues composed of multilayered nesting of fibers and fiber bundles that are difficult to print via traditional 3D printing methods. The team printed the muscle's internal and external shape, while activating its movement via electrical stimulation with a functional hydrogel-based ink. This results in the initial instance of simultaneously achieving both structural and functional bionic nanoprinting.

The scientists demonstrated the structure of rat hamstring's tendon and belly printed by optical force brush and layer-by-layer method. The methods showed the potential to print multilayer structures in 3D space, while the muscle fiber thickness turned thin to thick to impart a variety of functionalities.

The researchers showed the possibility of completely implanting the micro- and nanostructures into an organism to realize functional and structural biostructures at this scale. This free-space printing method through the optical force brush technique opens possibilities to apply multifunctional micro and nanostructures in biology.

In this way Chenqi Yi and colleagues used optical force brush as a method that integrated femtosecond laser paintbrush to print functional structures with true 3D freedom. The optical force brush has unique capabilities with an underlying process of optical force enabled nanopainting, to facilitate an ultrahigh solidification rate, low solidification threshold, and high sensitivity to laser to precisely regulate the printing process. The sensitivity allowed them to accurately regulate and create intricate structures with fine details.

This resulted in true 3D printing freedom for continuous printing and seamless transitions between different planes. The work further explored the mechanisms of optical forces for nanoprinting in free space during optical force brush use. This included interactions of the femtosecond laser with free radicals in the hydrogel ink photoswitch; a mechanism also explored through numerical simulations.

The research emphasized the capacity of the optical force brush to develop bionic functional structures and pave the way for additional studies in tissue engineering and regenerative medicine with breakthrough properties.

More information: Yi C. et al, Optical force brush enabled free-space painting of 4D functional structures, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg0300

Ergin T. et al. Three-dimensional invisibility cloak at optical wavelengths, Science (2023). DOI: 10.1126/science.1186351

Journal information: Science , Science Advances

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