Een eenvoudige, schaalbare methode met behulp van licht om helische nanostructuren in 3D te printen

18 maart 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteurs hebben de volgende aspecten benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud garanderen:

• gecontroleerd op feiten
• betrouwbare bron
• nagelezen

door Patricia DeLacey, Universiteit van Michigan College of Engineering

Een nieuw fabricageproces voor helische metaalnanodeeltjes biedt een eenvoudigere, goedkopere manier om snel een materiaal te produceren dat essentieel is voor biomedische en optische apparaten, volgens een studie van onderzoekers van de Universiteit van Michigan.

'Een van onze motivaties is om de fabricage van complexe materialen die knelpunten vormen in veel huidige technologieën drastisch te vereenvoudigen,' zei Nicholas Kotov, de Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering aan de U-M en mede-corresponderend auteur van de studie, gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Chirale oppervlakken — d.w.z. het oppervlak ontbreekt aan spiegelsymmetrie (bijv. een linker- en rechterhand) — die het vermogen hebben om licht op nanoschaal te buigen zijn zeer gewild. De nieuwe studie toont een manier om ze te maken door 'bossen' van nanoschaalhelixen te 3D-printen. Het afstemmen van de assen van de helixen op een lichtbundel zorgt voor een sterke optische rotatie, waardoor de chiraliteit kan worden benut in gezondheids- en informatietechnologieën, waarvoor chiraliteit gebruikelijk is.

Chirale oppervlakken van plasmonische metalen zijn nog wenselijker omdat ze een groot aantal zeer gevoelige biotectoren kunnen produceren. Ze kunnen bijvoorbeeld specifieke biomoleculen detecteren — geproduceerd door gevaarlijke medicijnresistente bacteriën, gemuteerde eiwitten of DNA — die de ontwikkeling van gerichte therapeutica kunnen bevorderen. Deze materialen bieden ook potentieel om informatietechnologieën te bevorderen, waardoor grotere dataopslagcapaciteiten en snellere verwerkingssnelheden kunnen worden gecreëerd door de interactie van licht met elektronische systemen (bijv. glasvezelkabels) te benutten.

Hoewel deze speciale 3D-gestructureerde oppervlakken van rechtopstaande helices zeer nodig zijn, zijn de traditionele methoden om ze te maken complex, duur en creëren ze veel afval.

Deze materialen worden meestal gemaakt met behulp van zeer gespecialiseerde hardware - zoals tweefoton3D-lithografie of ion-/elektronenbundelgeïnduceerde depositie - die alleen beschikbaar is in een paar zeer geavanceerde faciliteiten. Hoewel nauwkeurig, zijn deze methoden tijdrovend, vereisen ze een meerstapsverwerking bij lage druk of hoge temperatuurcondities.

3D-printen is gesuggereerd als alternatief, maar bestaande 3D-printtechnologieën laten geen nanoschaalresolutie toe. Als oplossing heeft het U-M-onderzoeksteam een methode ontwikkeld die gebruikmaakt van helische lichtbundels om nanoschaalhelixen te produceren met een specifieke 'handigheid' en spoed.

'Chirale plasmonische oppervlakken van centimeterschaal kunnen binnen enkele minuten worden geproduceerd met behulp van goedkope mediumkrachtlasers. Het was verbazingwekkend om te zien hoe snel deze helische bossen groeien,' zei Kotov.

Het 3D-printen van helische structuren door helisch licht is gebaseerd op de overdracht van chiraliteit van licht naar materie die ongeveer tien jaar geleden aan de U-M werd ontdekt.

Enkelvoudig, maskerloos, direct-write printen van waterige oplossingen van zilverzout biedt een alternatief voor nanolithografie terwijl het de 3D-additieve fabricage bevordert. De verwerkingsgemak, hoge polarisatierotatie en fijne ruimtelijke resolutie van door licht aangedreven printen van helixen van metaal zullen de voorbereiding van complexe nanoschaalarchitectuur voor de volgende generatie van optische chips aanzienlijk versnellen.

Verstrekt door de University of Michigan College of Engineering