为3D微结构和纳米结构定制材料组合

为3D微结构和纳米结构定制材料组合

微米和纳米尺度上的三维结构具有很大的应用潜力。卡尔斯鲁厄技术研究所(Kit)和卡尔蔡司公司(Carl Zeiss AG)的研究人员在《科学进展》一书中提出了一种从不同材料打印此类结构的高效而精确的方法:他们将一个微流控室集成到一个3D激光光刻设备中。然后,他们使用这个系统生产彩色荧光安全功能,以保护钞票、文件和品牌产品不受伪造。

图片说明:电脑设计中的多色荧光安全功能(左)及其在激光扫描显微镜下的图层(右)。(图:Frederik Mayer,int/kit)

从用光进行数据处理的组件到光学微透镜、机械超材料或用于细胞培养的人造支架,再到钞票或品牌产品的安全特性,印刷的三维微和纳米结构有着广泛的应用。三维激光光刻技术已成为一种成熟、可靠、通用的生产工艺。激光束以计算机控制的方式通过液体光刻胶,材料仅在激光束的焦点处暴露和硬化。这就产生了高精度的细丝结构,用于许多应用领域,包括光学和光子学、材料科学、生物技术或安全技术。到目前为止,由三维激光光刻技术产生的几乎所有微观和纳米结构都是由单一材料构成的。但它们也可以通过连续应用和硬化不同的光致抗蚀剂从几种材料中制造出来,未暴露的抗蚀剂在随后的显影浴中被冲掉。然而,这种工艺非常耗时和复杂,其精度随着材料数量和重复次数的增加而降低。

在“按顺序制造的3D物质”这一卓越集群中,Kit的纳米技术研究所(Int)、应用物理研究所(APH)、化学技术和聚合物化学研究所(ITCP)和澳大利亚布里斯班昆士兰理工大学(Qut)化学学院的科学家,以及Carl Zeiss AG的研究人员,已经现在开发了一种新的系统,可以从多种材料中高效、精确地生产印刷微结构和纳米结构。他们将一个用于最小空间流体的微流体室直接集成到一个三维激光光刻设备中。

在他们发表的《使用集成微流控系统的多材料三维激光微打印》一书中,研究人员报告说,他们使用集成系统从七种不同的流体中生成三维微结构安全特性:一种非荧光光刻胶作为主干,两种不同光刻胶NT荧光量子点,两种不同荧光染料的光阻剂和两种显影液。这种安全功能可以保护纸币、文件和品牌产品不受伪造。安全特征包括由挡土墙和不同颜色的荧光标记包围的三维网格。

对于他们的系统,科学家们使用了一种由Nanoschibe GmbH开发并商业化的3D激光光刻设备,该设备是一种衍生工具,并将其集成到一个自主开发的微流体室中。它配有一个直径为10毫米的盖玻片,可以在上面打印3D结构。该室连接到一个电子压力控制,多达10个容器,为不同的光刻电阻和显影剂,以及一个星形选择阀。所选流体通过一个超压阀传递给试样夹持器。最后,它流入废物容器。APH工作组负责人马丁·韦格纳教授说:“从几种材料中生产三维微观和纳米结构的所有步骤都可以集成到一个系统中。”“该系统为在微观和纳米尺度上制造多种材料添加剂铺平了道路。”

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