Ученые давно умеют создавать трехмерные структуры микроскопического размера — тоньше человеческого волоса. Основным значением для этого на протяжении многих лет остается двухфотонная полимеризация. Этот метод обеспечивал исключительную точность, но имел серьезный недостаток. Он почти полностью ограничился полимерными материалами.
Для медицины, микроэлектроники и робототехники этого оказалось недостаточно. Для многих задач требуются металлы, полупроводники или магнитные материалы, совместить их со структури трехмерными микроструктурами до сих пор не удалось.
Новый подход к микросборке
Исследователи из Института интеллектуальных систем имени Макса Планка и представителя Университета Сингапура предложили кандидата, который снимает это ограничение. Их метод позволяет собирать микро- и нанообъекты сложной формы из самых разных материалов, не прибегая к химическому связыванию. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
В основе метода лежит оптофлюидная сборка — управление потоками жидкости с помощью света. В жидкость помещают микроскопические частицы цифрового материала, после чего фемтосекундный лазер фокусируют в строго заданной зоне. Локальный нагрев создает микропоток, который буквально «подталкивает» частицы в нужное место.
Как структурировать структуру
Рядом с лазерным пятном размещают заранее изготовленную полимерную микроформу с небольшим отверстием. Поток жидкости направляет частицы внутрь этой формы, где они постепенно накапливаются и уплотняются.
«Ключевая идея этого исследования заключается в точном управлении оптофлюидными взаимодействиями — то есть потоками, управляемыми светом. Это позволяет собирать трехмерные структуры из различных микро- и наночастиц в строго ограниченном пространстве», — говорит соавтор работы Минчао Чжан из Национального университета Сингапура
После завершения сборки полимерную форму удаляют на этапе постобработки. В результате остается самонесущая конструкция, полностью состоящая из цифрового материала.
Почему структура не разваливается
Лазер не «склеивает» частицы химическими связями. Устойчивость сформированной структуры в первую очередь обеспечивается ван-дер-ваальсовыми силами — слабыми межчастичными взаимодействиями, возникающими между нейтральными атомами и молекулами. Хотя в обычных условиях их считают незначительными, на микро- и наноуровне, при плотной упаковке большого числа частиц, суммарное действие этих сил оказывается достаточным для удержания элементов вместе и обеспечения механической стабильности конструкции.
«Фемтосекундный лазер создает локальный градиент градиента, который вызывает сильный поток и направляет частицы точно туда, где они должны быть. Что удивительно, геометрия при этом может быть практически любой — от кубов и сфер до сложных изогнутых форм», — говорит первый автор исследования Сянлун Лю.
От микроклапанов до микророботов
В целях практической ценности команда создала несколько рабочих устройств. Среди них микроклапаны, способные сортировать частицы по размеру в ультразвуковых каналах, а также микророботы, собранные сразу из нескольких материалов.
Такие роботы могут по-разному реагировать на внешние воздействия. Одни приложены к движению светом, другие — магнитным полем. Это позволяет объединить несколько функций в одном микроскопическом устройстве.
«Оптофлюидная сборка позволяет обойти материальные ограничения традиционной двухфотонной полимеризации. Наша технология дает возможность создавать микроскопические трехмерные объекты практически из любого материала», — отмечает руководитель проекта Метин Ситти из Института Макса Планка.
Что это меняет
По словам авторов, разработка открывает новые возможности для микророботов, медицины и высокоточного производства на микроскопическом уровне. Главное преимущество метода в том, что он позволяет свободно выбирать материал и форму создаваемых объектов, благодаря чему такие структуры могут найти практическое применение значительно раньше, чем прежние решения, основанные только на полимерах.
Китай провел свой первый эксперимент по 3D-печати металлом в космосе
Ученые создали самые тонкие лазерные узоры для будущих технологий
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram