Impression nanométrique dans l'espace libre au-delà des limites optiques pour créer des structures fonctionnelles en 4D.

7 octobre 2023 fonctionnalité

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La polymérisation biphotonique est une méthode potentielle pour la nano-fabrication visant à intégrer des nanomatériaux basés sur des méthodes laser femtosecondes. Les défis dans le domaine de la nano-impression 3D incluent une impression couche par couche lente et des options de matériaux limitées en raison des interactions laser-matière.
 

Dans un nouveau rapport publié dans Science Advances, Chenqi Yi et une équipe de scientifiques en sciences technologiques, en médecine et en génie industriel de l'Université de Wuhan en Chine et de l'Université Purdue aux États-Unis ont présenté une nouvelle approche d'impression nanopoint appelée "free-space nanoprinting" en utilisant une brosse à force optique.

Ce concept leur a permis de développer des chemins d'écriture précis et spatiaux au-delà des limites optiques pour former des structures fonctionnelles 4D. La méthode a facilité l'agrégation rapide et la solidification des radicaux pour faciliter la polymérisation avec une sensibilité accrue à l'énergie laser, afin de fournir une peinture en espace libre de haute précision, similaire à la peinture chinoise au pinceau sur papier.

À l'aide de cette méthode, ils ont augmenté la vitesse d'impression pour réussir à imprimer avec succès une variété de modèles de muscles bioniques dérivés de nanostructures 4D avec des propriétés mécaniques réglables en réponse à des signaux électriques et une excellente biocompatibilité.

Les nanodispositifs et nanostructures peuvent être conçus avec une résolution et une vitesse élevées pour former des produits de nouvelle génération. L'industrie des semi-conducteurs peut utiliser la lithographie, le dépôt et la gravure pour créer des structures 3D à partir de divers matériaux, bien que le coût élevé du traitement et le choix limité de matériaux puissent affecter la fabrication flexible de structures 3D de matériaux fonctionnels.

Les scientifiques des matériaux ont utilisé l'écriture directe au laser femtoseconde basée sur la polymérisation biphotonique pour créer des nanostructures 3D complexes à l'aide de micro/nanopolymères pour former des quasicristaux photonic, des métamatériaux et des nanoarchitectures.

Cependant, cette méthode est encore limitée par une vitesse d'impression lente, des textures de surface par paliers et un nombre limité de matériaux photodurcissables. Dans ce travail, Yi et al. ont examiné l'écriture laser en espace libre pour analyser comment elle permet d'obtenir des forces photochimiques pour réaliser une nanopainting basée sur une brosse à force optique.

Lorsque les échelles de temps atteignent le femtoseconde, les molécules peuvent absorber le photon pour l'excitation vers un état électroniquement plus élevé avec une surface d'énergie potentielle répulsive, pour générer des radicaux libres.

Les scientifiques peuvent utiliser des mécanismes d'absorption multiphotonique pour absorber l'énergie des photons à impulsion ultracourte dans les molécules et activer la transition électronique entre l'état fondamental et l'état excité. Yi et ses collègues ont irradié les radicaux actifs avec un laser femtoseconde pour que les forces optiques les agrègent rapidement et les synthétisent en macromolécules afin de compléter rapidement la solidification sans post-traitement, tout en minimisant le mouvement thermique des molécules de solvant.

Les chercheurs ont développé une encre à base d'hydrogel activée par photoswitch lors de l'écriture laser femtoseconde par absorption biphotonique, où les radicaux du gel absorbaient l'énergie du laser femtoseconde. Alors que les radicaux libres formaient une énergie de liaison dans les molécules, l'équipe a connecté les molécules à longue chaîne à différents groupes fonctionnels pour une variété d'applications.

L'encre hydrogel imprimable offrait des conditions hautement biocompatibles, élastiques et flexibles pour de multiples applications de nanostructures imprimables en espace libre en biomédecine.

Le faisceau laser se déplaçait librement dans la solution, comme un stylo dans l'espace, et impliquait trois étapes : l'activation, l'agrégation et la solidification des radicaux libres. Les scientifiques ont mesuré les taux de polymérisation pour la polymérisation biphoton et la brosse à force optique séparément avec un modèle multiphysique.

Cette approche a grandement amélioré l'efficacité de la structure d'écriture grâce à une méthode d'impression couche par couche, ligne par ligne, où le nombre de couches était directement lié à la résolution de l'épaisseur. Cette méthode a également grandement amélioré l'efficacité et la précision de l'écriture de nanostructures 3D. Les chercheurs ont affiné les résultats expérimentaux pour montrer comment la force optique appliquée aux radicaux libres était directement liée au nombre d'impulsions, à l'intensité du champ laser et à son coefficient d'absorption.

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.

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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