NIST科学家在纳米尺度上开发3D打印凝胶和软材料的新方法

近日，美国国家标准技术研究院（NIST）的研究人员开发了一种3D打印凝胶和软材料的新方法。该研究团队没有像大多数现代软材料3D打印机那样使用紫外激光（UV）或可见光来引发其凝胶，而是利用电子和X射线束来固化一系列光敏树脂。

事实证明，这些短波长的激光比常规光束更聚焦，并且能够制造具有高水平结构细节的凝胶，尺寸小至100纳米（nm）。NIST科学家最新开发的技术可以创建复杂的微观结构，例如柔性电极，生物传感器或软微型机器人。

NIST团队最终使用他们的技术生产了微观的细胞界面结构（如图）。图片来自ACS Nano期刊。

光固化聚合物的不同方法

光固化聚合物开发方面的最新创新大大改善了软材料3D打印所能达到的速度和分辨率。这些新增强的配方使光学光刻和立体光刻（SLA）方法可用于创建越来越小的物体，其中一些物体的波长为100nm。

相比之下，传统的软制造方法（例如电子束光刻（EBL））无法跟上步伐，需要紧密聚焦的电子束才能有效发挥作用。尽管EBL通常用于聚合物和凝胶膜的构图，但它只能在激光和材料之间进行高水平的交互作用，从而限制了它可以生产的物体的复杂性。

聚焦电子束诱导沉积（3D-FEBID）代表了一种更具创新性的3D打印方法，它使用电子束来分离含气态含金属前体的表面。实验技术能够以超高分辨率创建对象，但代价是比传统方法要慢得多。同样，在深X射线光刻技术的开发中也取得了重大进展，该技术使用聚焦于区域板的光束精确制造高纵横比的微结构。先进的生产工艺可减少辐射损伤，这使其可以用于医疗应用，例如带电系统内的聚合反应。

不幸的是，面向X射线的方法也有缺点。目前，X射线束发出的短波长只能在真空中工作，因此每个腔室中的液体可能会蒸发而不形成凝胶。为了克服这一限制，研究小组得出了理论，即使用薄的电子透明屏障，可以防止液体蒸发，同时允许电子束穿透凝胶。

研究人员能够调节电子束的强度，以创建具有预定参数的物体。图片来自ACS Nano期刊。

NIST团队基于凝胶的3D打印方法

为了有效地将聚焦的电子束和软X射线束传递到其液体溶液中，研究人员设计了一组封闭的流体室。这些设备配备有30–50 nm的氮化硅（SiN）薄膜，可将液体与显微镜的真空隔离。在测试过程中，将20％w / v的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）水溶液和9个相同的膜窗填充到腔室中。通过仅改变光束的一个参数（例如光束的能量，强度，步长或停留时间），同时保持其他参数不变，屏障被用于创建具有一系列不同特征集的零件。

冲洗掉未固化的溶液后，研究小组使用了原子力显微镜（AFM）来检查其交联结构。通过比较处于水合和干燥状态的样品物体的高度，研究人员最终能够始终如一地打印它们并估算基于凝胶的物体的尺寸，而无需直接对其进行测量。而且，该方法被证明能够生产100-150nm宽的结构，从而使研究人员推测该方法可用于创建计算机与大脑的接口设备。为了测试其新技术与活细胞的连接能力，研究小组进行了进一步的实验，将SiN膜细胞和PEGDA聚合物暴露于电子束中。

尽管一些细胞死亡，但大多数细胞已成功整合到电极中。结果，研究小组得出结论，他们的方法有潜力用于创建尺寸最小为50nm的未来主义微观可植入设备。首席研究员安德烈·科尔马科夫（Andrei Kolmakov）总结说：“我们正在将新工具（在液体中工作的电子束和X射线）引入3D打印。”

纳米级增材制造

考虑到纳米级3D打印物体的潜在用途范围，科学家近年来寻求优化技术并生产出越来越小的物体也就不足为奇了。代顿大学的研究人员开发了一种增强的，具有成本效益的3D打印纳米级结构方法。事实证明，光热机械（OTM）纳米印刷技术能够以小于100nm的规模进行印刷。

弗劳恩霍夫微工程与微系统研究所（IMM）的科学家们正在开发一种使用多光子光刻技术来创建纳米级金属3D打印结构的新颖工艺。通过该项目，团队的目标是制造具有比使用直接能量沉积（DED）工艺生产的零件更小的特征的零件。

加州理工学院（Caltech）的一个小组已使用两光子光刻方法对不大于100nm的3D打印金属结构进行了处理。据报道，该技术能够制造比任何其他金属制造工艺“小一个数量级”的金属特征。