수축성 하이드로겔로 나노제조 옵션 확대 복잡한 2D 및 3D 패턴 인쇄 

[아름이]

수축성 하이드로겔로 나노제조 옵션 확대
복잡한 2D 및 3D 패턴 인쇄
날짜:
2022년 12월 22일
원천:
카네기 멜론 대학교
요약:
연구원들은 다양한 재료로 초고해상도의 복잡한 3D 나노구조를 만드는 전략을 개발했습니다.

Carnegie Mellon University의 Yongxin (Leon) Zhao와 Chinese University of Hong Kong의 Shih-Chi Chen은 나노 장치 제조에 대한 큰 아이디어를 가지고 있습니다.

Zhao의 Biophotonics Lab은 세포와 조직의 생물학적 및 병리학적 과정을 연구하는 새로운 기술을 개발합니다. 확장 현미경이라는 프로세스를 통해 연구실은 하이드로겔에 내장된 미세한 샘플을 비례적으로 확대하는 기술을 발전시켜 연구원들이 현미경을 업그레이드하지 않고도 미세한 세부 사항을 볼 수 있도록 합니다.

2019년 카네기 멜론을 초청 연사로 방문한 Shih-Chi Chen(홍콩중문대학교 기계자동화공학과 교수)과의 감동적인 대화는 두 연구자의 협업을 촉발시켰다. 그들은 인쇄 가능한 나노 장치의 크기를 수십 나노미터 또는 몇 개의 원자 두께로 줄이는 방법을 개발하는 미세 가공의 오랜 과제에 대한 새로운 솔루션을 찾기 위해 결합된 전문 지식을 사용할 수 있다고 생각했습니다.

그들의 솔루션은 확장 현미경의 반대입니다: 하이드로겔에서 재료의 3D 패턴을 생성하고 나노스케일 분해능을 위해 축소합니다.

"Shih-Chi는 초고속 2광자 ​​리소그래피 시스템을 발명한 것으로 알려져 있습니다. "우리는 그가 Carnegie Mellon을 방문하는 동안 만났고 이 급진적인 아이디어를 추구하기 위해 우리의 기술과 전문 지식을 결합하기로 결정했습니다."

공동 작업의 결과는 정교한 나노 장치 설계를 위한 새로운 문을 열었으며 Science 저널에 게재되었습니다 .

기존의 3D 나노 스케일 프린터는 레이저 포인트에 초점을 맞춰 재료를 순차적으로 가공하고 디자인을 완성하는 데 오랜 시간이 걸리는 반면, Chen의 발명품은 레이저 펄스의 폭을 변경하여 패턴화된 광 시트를 형성하여 수십만 개의 픽셀을 포함하는 전체 이미지가 가능합니다. 복셀) ​​축 해상도를 손상시키지 않고 한 번에 인쇄할 수 있습니다.

제조 기술은 펨토초 프로젝트 2광자 리소그래피(FP-TPL)라고 합니다. 이 방법은 이전의 나노프린팅 기술보다 최대 1,000배 빠르며 생명 공학, 포토닉스 또는 나노 장치에 사용하기 위한 비용 효율적인 대규모 나노프린팅으로 이어질 수 있습니다.

이 과정에서 연구자들은 펨토초 2광자 레이저를 사용하여 하이드로겔의 네트워크 구조와 기공 크기를 수정한 다음 수분산성 물질의 경계를 만듭니다. 그런 다음 하이드로겔을 금속, 합금, 다이아몬드, 분자 결정, 폴리머 또는 만년필 잉크의 나노입자를 포함하는 물에 담급니다.

Zhao는 "우연한 우연을 통해 우리가 시도한 나노 물질은 모두 자동으로 하이드로겔의 인쇄 패턴에 끌리고 아름답게 조립되었습니다."라고 말했습니다. "젤이 수축하고 탈수됨에 따라 재료가 더욱 조밀하게 채워지고 서로 연결됩니다."

예를 들어, 인쇄된 하이드로겔을 은나노입자 용액에 넣으면 은나노입자가 레이저 인쇄 패턴을 따라 젤로 자가 조립됩니다. 젤이 마르면 원래 크기의 최대 13배까지 수축할 수 있어 나노 실버 와이어를 형성하고 전기를 전도할 수 있을 만큼 은을 조밀하게 만들 수 있다고 Zhao는 말했습니다.

젤은 3차원이기 때문에 인쇄된 패턴도 가능합니다.

CD와 DVD를 레이저로 읽고 쓰는 방법과 같은 암호화된 광 저장에 대한 기술 사용의 시연으로 팀은 광학적으로 해독된 후 "SCIENCE"를 읽는 7층 3D 나노구조를 설계하고 구축했습니다.

각 레이어에는 문자의 200x200픽셀 홀로그램이 포함되어 있습니다. 샘플을 축소한 후 전체 구조는 광학 현미경에서 반투명 직사각형으로 나타납니다. 샘플을 얼마나 확장하고 정보를 읽기 위해 빛을 비추는 위치에 대한 올바른 정보가 필요합니다.

"우리의 결과에 따르면 이 기술은 작은 입방 센티미터의 공간에 5페타비트의 정보를 담을 수 있습니다. 이는 미국의 모든 학술 연구 도서관을 합친 것의 약 2.5배입니다." 그는 말했다.

Zhao는 연구원들의 미래 목표는 여러 재료로 기능적인 나노 장치를 만드는 것이라고 말했습니다.

Zhao는 "결국 우리는 나노 회로, 나노 바이오 센서 또는 나노 로봇과 같은 기능적 나노 장치를 제조하기 위해 새로운 기술을 사용하고 싶습니다."라고 Zhao는 말했습니다. "우리는 상상력에 의해서만 제한을 받습니다."

과학 논문 "초고속 레이저 패터닝 및 운동학적으로 조절된 재료 조립을 통한 3D 나노제조" 의 공동 저자인 Zhao와 Chen 외에도 Fei Han, Songyun Gu, Ni Zhao, 홍콩 중문 대학 및 Aleks가 포함됩니다. 카네기 멜론의 Klimas.

출처 : https://www.sciencedaily.com/