Немецкие учёные придумали, как сделать 3D-печать с наноразмерной точностью доступной каждому

Сегодня мы не удивляемся компактным лазерным принтерам, хотя на заре зарождения технологии и долгие годы после появления на рынке лазерные принтеры удивляли размерами и весом. Похожая ситуация с лазерной 3D-печатью. Это высокоточные устройства аддитивного моделирования, но размеры устройств остаются сравнительно большими — с объёмный чемодан или около того. Новые немецкие технологии помогут уменьшить такие принтеры до размеров обувной коробки.

Слева изображение напечатанной 3D-структуры под электронным микроскопом, справа — под оптическим. Источник изображения: Professor Rasmus Schröder, University of Heidelberg, Vincent Hahn, KIT

Современная лазерная печать в составе 3D-принтера представляет собой сложную оптическую систему, которая в импульсном режиме с фемтосекундной длительностью вызывает химические процессы полимеризации материала в точке фокуса. Большие габариты и запредельная дороговизна таких принтеров не позволяют им стать продуктом для повсеместного использования. Можно ли это изменить? Вполне, заявили исследователи из немецкого профильного кластера 3D Matter Made to Order.

Учёные в журнале Nature Photonics опубликовали статью, в которой рассказали об инновационной конструкции головки лазерного принтера для 3D-печати с наноразмерной точностью. В обычном лазерном 3D-принтере полимеризация светочувствительной жидкости происходит тогда, когда два фотона одновременно возбуждают молекулу жидкости — это так называемое двухфотонное поглощение. Чтобы реакция двухфотонного (одновременного) поглощения произошла, лазерная система должна быть сложной, согласованной и поэтому громоздкой.

Немецкие учёные предложили разделить возбуждение молекул светочувствительной жидкости на два этапа и совершать их по очереди, что позволит радикально уменьшить лазерную головку и конструкцию 3D-принтера. В частности, исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Гейдельбергского университета предложили двухступенчатую абсорбцию, которая работает с недорогими и маленькими синими лазерными диодами.

Первый фотон переводит молекулу в промежуточное состояние. На втором этапе второй фотон переводит молекулу из промежуточного состояния в нужное возбуждённое состояние и запускает химическую реакцию. Поглощение двух фотонов не обязательно должно происходить одновременно, что стало ключом к прорыву.

«Для этого процесса можно использовать компактные и маломощные лазерные диоды непрерывного действия, — сказал Винсент Ханн, первый автор исследования из Института прикладной физики KIT (APH). — Требуемая мощность лазера намного ниже мощности обычных лазерных указок».

Впрочем, не всё так просто. Прорыв был бы невозможен без разработки нового состава фоточувствительной жидкости. Новый состав жидкости разрабатывался несколько лет совместно с химиками, пока нужный результат не был получен.

«На мой взгляд, в ближайшие годы реально создать устройство размером с коробку из-под обуви. Это будет даже меньше, чем лазерный принтер на моем рабочем столе в KIT, — заявил другой автор работы профессор Мартин Вегенер. — Таким образом, лазерные 3D-нанопринтеры могут стать доступными для многих групп населения. Эксперты уже говорят о демократизации технологии лазерной 3D-печати».