Gli ingegneri di Stanford sviluppano un nuovo tipo di stampa 3D
Gli ingegneri di Stanford e Harvard hanno gettato le basi per un nuovo sistema per la stampa 3D che non richiede la stampa di un oggetto dal basso verso l’alto.
DI LAURA CASTAÑON Stanford University
Sebbene le tecniche di stampa 3D siano notevolmente avanzate nell’ultimo decennio, la tecnologia continua a dover affrontare un limite fondamentale: gli oggetti devono essere costruiti strato dopo strato. Ma se non dovessero esserlo?
La modifica del contenuto delle nanocapsule controlla la potenza della luce rossa richiesta per polimerizzare la resina e consente diversi tipi di stampa volumetrica. Due tipi di stampa mostrati qui: scansione e tracciatura di un’immagine utilizzando un laser ad alta potenza (a sinistra) e proiezione di un’immagine tutta in una volta utilizzando un LED a bassa potenza (a destra). (Credito immagine: Dan Congreve/Tracy H. Schloemer/Arynn O. Gallegos)
Dan Congreve, assistente professore di ingegneria elettrica a Stanford ed ex Rowland Fellow presso il Rowland Institute dell’Università di Harvard, e i suoi colleghi hanno sviluppato un modo per stampare oggetti 3D all’interno di un volume stazionario di resina. L’oggetto stampato è completamente supportato dalla resina spessa – immagina una action figure che galleggia al centro di un blocco di gelatina – quindi può essere aggiunto da qualsiasi angolazione. Ciò elimina la necessità delle strutture di supporto generalmente richieste per la creazione di progetti complessi con metodi di stampa più standard. Il nuovo sistema di stampa 3D, recentemente pubblicato su Nature , potrebbe semplificare la stampa di progetti sempre più complessi risparmiando tempo e materiale.
“La possibilità di eseguire questa stampa volumetrica consente di stampare oggetti che prima erano molto difficili”, ha affermato Congreve. “È un’opportunità davvero entusiasmante per la stampa tridimensionale in futuro”.
Stampa con luce
Sulla sua superficie, la tecnica sembra relativamente semplice: i ricercatori hanno messo a fuoco un laser attraverso una lente e lo hanno fatto brillare in una resina gelatinosa che si indurisce se esposta alla luce blu. Ma Congreve ei suoi colleghi non potevano semplicemente usare un laser blu: la resina si sarebbe polimerizzata lungo l’intera lunghezza del raggio. Invece, hanno usato una luce rossa e alcuni nanomateriali abilmente progettati sparsi nella resina per creare luce blu solo nel punto focale preciso del laser. Spostando il laser attorno al contenitore di resina, sono stati in grado di creare stampe dettagliate e prive di supporto.
Il laboratorio di Congreve è specializzato nella conversione di una lunghezza d’onda della luce in un’altra utilizzando un metodo chiamato upconversion a fusione di triplette. Con le giuste molecole in stretta vicinanza l’una all’altra, i ricercatori possono creare una catena di trasferimenti di energia che, ad esempio, trasformano fotoni rossi a bassa energia in fotoni blu ad alta energia.
“Mi sono interessato a questa tecnica di upconversion ai tempi della scuola di specializzazione”, ha detto Congreve. “Ha tutti i tipi di applicazioni interessanti nel solare, nel bio e ora in questa stampa 3D. La nostra vera specialità sono i nanomateriali stessi: progettarli per emettere la giusta lunghezza d’onda della luce, per emetterla in modo efficiente e per essere dispersi nella resina”.
Attraverso una serie di passaggi (che includevano l’invio di alcuni dei loro materiali per un giro in un frullatore Vitamix), Congreve e i suoi colleghi sono stati in grado di formare le necessarie molecole di conversione in goccioline distinte su nanoscala e rivestirle in un guscio protettivo di silice. Quindi hanno distribuito le nanocapsule risultanti, ciascuna delle quali è 1000 volte più piccola della larghezza di un capello umano, in tutta la resina.
“Capire come rendere robuste le nanocapsule non è stato banale: una resina per stampa 3D è in realtà piuttosto dura”, ha affermato Tracy Schloemer, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Congreve e uno degli autori principali dell’articolo. “E se quelle nanocapsule iniziano a sgretolarsi, la tua capacità di eseguire l’upconversion scompare. Tutti i tuoi contenuti fuoriescono e non puoi ottenere quelle collisioni molecolari di cui hai bisogno.
Passi successivi per le nanocapsule a conversione della luce
I ricercatori stanno attualmente lavorando su modi per perfezionare la loro tecnica di stampa 3D. Stanno studiando la possibilità di stampare più punti contemporaneamente, il che accelererebbe notevolmente il processo, oltre a stampare a risoluzioni più elevate e scale più piccole.
Congreve sta anche esplorando altre opportunità per utilizzare le nanocapsule di conversione verso l’alto. Possono essere in grado di aiutare a migliorare l’efficienza dei pannelli solari, ad esempio convertendo la luce a bassa energia inutilizzabile in lunghezze d’onda che le celle solari possono raccogliere. Oppure potrebbero essere usati per aiutare i ricercatori a studiare più precisamente modelli biologici che possono essere attivati con la luce o addirittura, in futuro, fornire trattamenti localizzati.
“Potresti penetrare nei tessuti con la luce infrarossa e quindi trasformare quella luce infrarossa in luce ad alta energia con questa tecnica di upconversion per, ad esempio, guidare una reazione chimica”, ha affermato Congreve. “La nostra capacità di controllare i materiali su scala nanometrica ci offre molte opportunità davvero interessanti per risolvere problemi difficili che altrimenti sarebbero difficili da affrontare”.
Ulteriori coautori di Stanford di questa ricerca sono la studiosa post-dottorato Tracy Schloemer; l’ex ricercatore in visita Michael Seitz; e lo studente laureato Arynn Gallegos. Altri coautori, tra cui un co-autore principale, provengono dal Rowland Institute dell’Università di Harvard.
Questa ricerca è stata finanziata dal Rowland Institute dell’Università di Harvard, dall’Harvard PSE Accelerator Fund, dalla Gordon and Betty Moore Foundation, da una Arnold O. Beckman Postdoctoral Fellowship, dalla Swiss National Science Foundation, dalla National Science Foundation e da una Stanford Graduate Fellowship in Scienza e ingegneria (una borsa di studio Scott A. e Geraldine D. Macomber).