Un método simple y escalable para imprimir en 3D estructuras helicoidales nano utilizando luz

18 de marzo de 2024

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por Patricia DeLacey, Universidad de Michigan, Facultad de Ingeniería

Un nuevo proceso de fabricación para nanopartículas metálicas helicoidales ofrece una forma más sencilla y económica de producir rápidamente un material esencial para los dispositivos biomédicos y ópticos, según un estudio de investigadores de la Universidad de Michigan.

'Uno de nuestros motivadores es simplificar drásticamente la fabricación de materiales complejos que representan cuellos de botella en muchas tecnologías actuales', dijo Nicholas Kotov, el prestigioso profesor universitario Irving Langmuir de Ciencias Químicas e Ingeniería en U-M y co-autor correspondiente del estudio, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Las superficies quirales, es decir, las que carecen de simetría de espejo (por ejemplo, una mano izquierda y una mano derecha), que tienen la capacidad de doblar la luz a escala nanométrica están en alta demanda. El nuevo estudio demuestra una forma de hacerlas mediante la impresión 3D de 'bosques' de hélices a escala nanométrica. Alinear los ejes de las hélices con un haz de luz crea una fuerte rotación óptica, lo que permite aprovechar la quiralidad en la salud y la tecnología de la información, donde la quiralidad es común.

Las superficies quirales de metales plasmónicos son aún más deseables porque pueden producir una gran familia de biodetectores muy sensibles. Por ejemplo, pueden detectar biomoléculas específicas, producidas por bacterias peligrosas resistentes a los medicamentos, proteínas mutadas o ADN, lo cual puede ayudar al desarrollo de terapéuticas dirigidas. Estos materiales también ofrecen un posible avance para las tecnologías de la información, creando mayores capacidades de almacenamiento de datos y velocidades de procesamiento más rápidas mediante el aprovechamiento de la interacción de la luz con sistemas electrónicos (es decir, cables de fibra óptica).

Aunque estas superficies 3D especiales de hélices verticales son muy necesarias, los métodos tradicionales para fabricarlas son complejos, costosos y generan mucho desperdicio.

Estos materiales se fabrican comúnmente utilizando hardware altamente especializado, tal como litografía 3D de dos fotones o deposición inducida por iones/electrones, solo disponible en unas pocas instalaciones de alta gama. Aunque precisos, estos métodos requieren un procesamiento de varios pasos, lento, a baja presión o a alta temperatura.

Se ha sugerido la impresión 3D como alternativa, pero las tecnologías de impresión 3D existentes no permiten una resolución a escala nanométrica. Como solución, el equipo de investigación de U-M desarrolló un método que utiliza haces de luz helicoidal para producir hélices a escala nanométrica con una direccion y paso específicos.

'Las superficies plasmónicas quirales de escala centimétrica se pueden producir en minutos utilizando láseres de medio poder económicos. Fue increíble ver lo rápido que crecen estos bosques helicoidales', dijo Kotov.

La impresión 3D de estructuras helicoidales por luz helicoidal se basa en la transferencia de quiralidad de la luz a la materia descubierta en U-M hace unos 10 años.

La impresión directa, sin máscara, en un solo paso, a partir de soluciones acuosas de sal de plata ofrece una alternativa a la nanolitografía a la vez que avanza la fabricación aditiva en 3D. La simplicidad de procesamiento, la alta rotación de polarización y la fina resolución espacial de la impresión con luz de hélices de metal acelerará enormemente la preparación de la arquitectura nanométrica compleja para la próxima generación de chips ópticos.

Proporcionado por la Universidad de Michigan, Facultad de Ingeniería