I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo metodo per la stampa 3D di gel e materiali morbidi.

GLI SCIENZIATI DEL NIST SVILUPPANO UN NUOVO METODO A FASCIO DI ELETTRONI PER LA STAMPA 3D DI MATERIALI MORBIDI SU SCALA NANOMETRICA

Invece di utilizzare un laser ultravioletto (UV) o una luce visibile per avviare il gel come la maggior parte delle moderne stampanti 3D per materiali morbidi, il team di ricerca ha sfruttato i fasci di elettroni e raggi X per curare una gamma di fotoresine. Questi laser a lunghezza d’onda più corta si sono dimostrati più focalizzati rispetto ai fasci convenzionali e hanno consentito la fabbricazione di gel con un alto livello di dettaglio strutturale, a dimensioni fino a 100 nanometri (nm).

La nuova tecnica sviluppata dagli scienziati del NIST potrebbe consentire la creazione di strutture microscopiche complesse, come elettrodi flessibili, biosensori o micro-robot morbidi.

Recenti innovazioni nello sviluppo di polimeri fotoinduribili hanno notevolmente migliorato la velocità e la risoluzione possibili con la stampa 3D di materiali morbidi. Queste formulazioni recentemente migliorate hanno consentito di utilizzare metodi di fotolitografia ottica e stereolitografia (SLA) nella creazione di oggetti sempre più piccoli, con alcuni nella gamma di 100 nm.

Al contrario, i metodi tradizionali di produzione morbida come la litografia a fascio elettronico (EBL), non sono stati in grado di tenere il passo e richiedono fasci di elettroni strettamente focalizzati per funzionare in modo efficiente. Sebbene l’EBL sia comunemente usato per la modellazione di polimeri e film in gel, funziona solo con un alto livello di interazione tra laser e materiale, limitando la complessità degli oggetti che può produrre.

La deposizione indotta da fascio di elettroni focalizzati (3D-FEBID) rappresenta un approccio di stampa 3D più innovativo e utilizza un fascio di elettroni per separare la superficie dei precursori contenenti metalli gassosi. La tecnica sperimentale è in grado di creare oggetti ad altissima risoluzione ma a costo di essere notevolmente più lenta dei metodi convenzionali.

Allo stesso modo, sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo della litografia a raggi X profonda, che utilizza fasci focalizzati su lastre di zona per la fabbricazione precisa di microstrutture ad alto rapporto di aspetto. L’avanzato processo di produzione provoca una riduzione dei danni da radiazioni e ciò ha consentito di utilizzarlo in applicazioni mediche come la polimerizzazione all’interno di sistemi attivi.

Sfortunatamente, anche i metodi orientati ai raggi X hanno degli svantaggi. Al momento, le brevi lunghezze d’onda emesse dai raggi X possono funzionare solo nel vuoto, quindi il liquido in ciascuna camera potrebbe evaporare anziché formare un gel. Per superare questa limitazione, il team ha teorizzato che utilizzando una sottile barriera trasparente agli elettroni, potrebbero impedire l’evaporazione del liquido, consentendo al tempo stesso al raggio di penetrare nel gel.

Per fornire efficacemente elettroni focalizzati e fasci di raggi X morbidi alla loro soluzione liquida, i ricercatori hanno progettato una serie di camere fluidiche chiuse. I dispositivi erano dotati di membrane sottili di nitruro di silicio (SiN) da 30–50 nm, che agivano per isolare il liquido dal vuoto del microscopio.

Durante il test, la camera è stata riempita con una soluzione acquosa al 20% p / v di poli (glicole etilenico) diacrilato (PEGDA) e nove finestre della membrana identiche. Variando solo uno dei parametri del raggio come l’energia, l’intensità, la dimensione del passo o il tempo di sosta, mantenendo gli altri bloccati, le barriere sono state utilizzate per creare parti con una gamma di diversi set di funzionalità.

Dopo aver risciacquato la soluzione non polimerizzata, il team ha utilizzato una microscopia a forza atomica (AFM) per ispezionare le loro strutture reticolate. Confrontando l’altezza degli oggetti campione nei loro stati idratati e asciutti, i ricercatori sono stati finalmente in grado di stamparli in modo coerente e di stimare le dimensioni degli oggetti a base di gel senza misurarli direttamente.

Inoltre, il metodo si è dimostrato in grado di produrre strutture larghe 100-150 nm, portando i ricercatori a supporre che potesse essere utilizzato per creare dispositivi di interfacciamento computer-cervello. Al fine di testare le capacità di interfacciamento tra cellule vive della loro nuova tecnica, il team ha condotto un ulteriore esperimento, che ha esposto celle a membrana SiN e un polimero PEGDA a un fascio di elettroni.

Sebbene alcune delle cellule siano morte, la maggior parte è stata integrata con successo in un elettrodo. Di conseguenza, il team ha concluso che il loro metodo aveva il potenziale per essere utilizzato nella creazione di dispositivi impiantabili microscopici futuristici, di dimensioni fino a 50 nm. “Stiamo introducendo nuovi strumenti – fasci di elettroni e raggi X che operano nei liquidi – nella stampa 3D di materiali morbidi”, ha concluso il ricercatore capo Andrei Kolmakov.

Produzione additiva su nanoscala

Data la gamma di potenziali usi esistenti per oggetti stampati in 3D su scala nanometrica, non sorprende che gli scienziati abbiano cercato di ottimizzare la tecnologia negli ultimi anni e di produrre oggetti sempre più piccoli.

I ricercatori dell’Università di Dayton hanno sviluppato un metodo avanzato ed economico per la stampa 3D di strutture su nanoscala . La tecnica di nano-stampa Opto-Thermo-Mechanical (OTM) si è dimostrata in grado di stampare su una scala inferiore a 100 nm.

Gli scienziati del Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems (IMM) stanno sviluppando un nuovo processo utilizzando la litografia multifotone per creare strutture metalliche stampate in 3D su scala nanometrica. Attraverso il progetto, il team mira a fabbricare parti con caratteristiche più piccole di quelle prodotte utilizzando processi DED (Direct Energy Deposition).

Un team del California Institute of Technology (Caltech) ha utilizzato un metodo di litografia a due fotoni per stampare strutture metalliche in 3D che non sono più grandi di 100 nm. Secondo quanto riferito, la tecnica è in grado di creare elementi metallici che sono “un ordine di grandezza più piccoli” rispetto a qualsiasi altro processo di fabbricazione del metallo.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro documento intitolato ” Cross-linking indotto da fascio focalizzato di elettroni e raggi X nei liquidi: verso la nanostampa 3D e l’interfacciamento rapida continua utilizzando materiali morbidi “, che è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano. Il documento è stato scritto in collaborazione con Tanya Gupta, Evgheni Strelcov, Glenn Holland, Joshua Schumacher, Yang Yang, Mandy B. Esch, Vladimir Aksyuk, Patrick Zeller, Matteo Amati, Luca Gregoratti e Andrei Kolmakov.

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