3D nyomtatás a nanovilágban
A legparányibb printerek
Éppen úgy, ahogyan komoly nehézségekbe ütköznénk, ha baltával kellene fogpiszkálót faragnunk a 3D nyomtatás kiterjesztése a nanométeres méretek felé komoly akadályokba ütközött több ok miatt is…
50 mikrométeres panda. Forrás: Nanoscribe
- nem egyszerű megoldani a nyomtató fej mozgatását nanométeres pontossággal
- már az is komoly kihívás lenne, hogy olyan nyomtató fejet készítsünk, amelyben egy nanométeres csövön halad át a nyomtatáshoz használt anyag (szál).
Mekkora is ez a zűrös nanométer?
Jóformán elképzelhetetlenül kicsi, a méter egymilliárdod része (0,000000001 m, vagy 0,001 mikron (µm))! Mit jelent ez a mindennapi érzékeink szintjén? Azt hogy a nanométer úgy aránylik a közönséges focilabda méreteihez, mint ahogyan ennek a focilabdának a méretei aránylanak a Föld bolygó méreteihez!
Nanométer. A jobb alsó sarokban látható fullerén molekula, 60 darab szénatomból épül fel és átmérője 1 nanométer (nm). Ez közelítőleg úgy aránylik a focilabda átmerőjéhez, ahogyan a focilabda átmérője aránylik a Föld bolygó átmérőjéhez.
Akkor mégis hogyan lehet a nanoskálán nyomtatni 3D-ben?
Egy nagyon trükkös megoldással: ki kell küszöbölni a gondot okozó nyomtatófejet! Helyette egy közönséges medencét kell alkalmazni, amit megtöltünk egy olyan folyadékkal, amit fénnyel lehet „vezérelni”. Azaz rá lehet bírni, hogy megszilárduljon, pontosan úgy, mint a hölgyek műkörme az UV lámpa alatt. Szakszóval, ezt az anyagot „fotoreziszt”-nek hívják, még abból a korszakból, amikor kidolgozták az integrált áramkörök gyártásának módszereit. A szó első fele (foto) arra utal, hogy fénnyel „vezérelhető” = megszilárdítható az anyag, a második fele (reziszt), pedig arra, hogy képes ellenállni a kémiai maratásnak, ami eltávolítja a fotoreziszttel nem védett részeket. A fotoreziszteket széles körben alkalmazzák a félvezetőiparban a mikrocsipek előállítása során, így alakítják ki azokat a hihetetlenül apró mintázatokat, amelyek létrehozzák sok-sok millió tranzisztort, amelyek működtetik a mobiltelefon, a tablet és a számítógép „agyát” a mikrocsipet.
Van azonban két nagyon fontos különbség:
- a mikrocsipek kialakításánál anyagot távolítunk el „kifaragjuk” azt, amire szükségünk van, a 3D nyomtatásban anyagot adunk hozzá, „felépítjük” azt, amire szükségünk van
- a mikrocsipek tulajdonképpen egy „kétdimenziós világban” léteznek, azaz nagyon kicsi a „mélységük” a síkbeli kiterjedésükhöz viszonyítva –a 3D nyomtatással készülő objektumok pedig ugyanakkora, sőt gyakran nagyobb kiterjedéssel rendelkeznek az alapjukra merőleges irányban, mint az alapjuk mérete.
Hogyan lehet mindezt megvalósítani? Egy olyan fotoreziszt alkalmazásával, amelyiknek a megszilárdulásához sok energiára azaz UV (ultraibolya) fényre van szükség, de ennek ellenére kisenergiájú IR (infravörös) fénnyel világítjuk meg. Hogy fog ez működni? Úgy, hogy az IR lézer fényét nagyon pici pontra gyűjtjük össze, erőteljesen fókuszáljuk! Ennek két hasznos következménye van:
- a fókuszban a megvilágítás olyan erős lesz, hogy egy-egy fotoreziszt molekula 2 fotont is elnyelhet egyszerre, és így már elég energiát nyer ahhoz, hogy megszilárduljon
- az erősen megvilágított folt nagyon pici lesz, alig néhány száz nanométeres.
Mit lehet így nyomtatni a nanovilágban?
Szinte bármit…
A. Olyan tűt, mint amilyennel a szúnyog szívja vért:
Mire jó? Például fájdalommentes vérvételre.
B. Különleges optikai tulajdonságokkal rendelkező kompozitokat:
Forrás: NanoscribeGeorg von Freymann, Alexandra Ledermann, Michael Thiel, Isabelle Staude, Sabine Essig, Kurt Busch, and Martin Wegener Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1038–10.
Ezek az anyagok képesek szabályozni a fény terjedését, segítségükkel elektromos áram helyett fénnyel működő számítógépek építhetők
C. Mesterséges, élő szöveteket:
Meg lehet tervezni, hol tapadjanak meg az egye sejtek egy sejttenyészetben:
Forrás: NanoscribeFranziska Klein, Benjamin Richter, Thomas Striebel, Clemens M. Franz,Georg von Freymann, Martin Wegener, and Martin BastmeyerTwo-Component Polymer Scaffolds for Controlled Three-Dimensional Cell CultureAdv. Mater. 2011, 23, 1341–13.
Így mesterséges, elő szövetek építhetők fel.
D. Fémeket:
És végül, de nem utolsó sorban, megfelelő kémiai trükkökkel a megszilárdult fotoreziszt, kicserélhető más anyagokra, például fémekre is.
További információk:
Prof. Dr. Biró László P.
akademikus
http://www.nanotechnology.hu/magyarul.html
Erősné Biró Imola
www.3dkivansag.hu/
Képek forrása: https://www.nanoscribe.de /press & /downloads