Laser femtosekundowy i kontrolowany przepływ cząstek
Kluczem do nowej techniki nie jest, jak dotąd, proces polimeryzacji. Zamiast tego badacze wykorzystali zjawisko nazywane interakcjami optopłynnymi. W dużym uproszczeniu, bardzo precyzyjna wiązka lasera femtosekundowego tworzy punktowo wyjątkowo wysoką temperaturę. Powstający w ten sposób gradient termiczny pozwala precyzyjnie kierować ruchem nanocząstek i układać je w zaprojektowany wcześniej kształt. Cały proces jest dwuetapowy. Najpierw, przy użyciu klasycznej już polimeryzacji dwufotonowej, tworzy się polimerowy szablon, czyli rodzaj rusztowania dla docelowej struktury.
Czytaj też: Zaczęli hodować metal. Nowa metoda wywraca przemysł i druk 3D do góry nogami
Następnie uruchamiany jest laser, którego działanie wywołuje intensywny, zlokalizowany przepływ konwekcyjny. To właśnie ten przepływ „nosi” nanocząstki i wypełnia nimi przygotowany szkielet. Prościej można to porównać do wylewania betonu do deskowania. Efektywność tego podejścia robi wrażenie. Według naukowców, metoda pozwala na montaż około 10 milionów cząstek na minutę, osiągając prędkość rzędu 700 mikrometrów na sekundę. To około dwa razy szybciej niż w przypadku standardowej polimeryzacji dwufotonowej. Co istotne, mechanizm ten ma działać dla cząstek o różnym kształcie, rozmiarze i składzie chemicznym, co stanowi jego główną przewagę.
Mikrofluidyczne zawory oraz wielofunkcyjne mikroroboty
Gdzie takie możliwości mogłyby znaleźć użytek? Autorzy badania zaprezentowali kilka intrygujących koncepcji. Potrafili tworzyć skomplikowane, trójwymiarowe kształty, jak mikroskopijne sześciany, tykwy czy struktury heksagonalne. Co więcej, pokazali, że w jednej strukturze można łączyć różne materiały, umieszczając je w precyzyjnie zaplanowanych miejscach. Jednym z praktycznych przykładów są mikrofluidyczne zawory przesiewające. Dzięki możliwości kontroli ich wymiarów, mogą one służyć do sortowania cząstek o określonej wielkości. W eksperymencie, przy użyciu zaworu o szerokości i długości 40 mikrometrów, skutecznie oddzielano 100-nanometrowe nanocząstki.
Czytaj też: Odkryli nowy stan skupienia materii w ciekłych metalach. To nie miało prawa się wydarzyć
Prawdopodobnie najbardziej futurystyczną wizją są wielofunkcyjne mikroroboty. Te niewielkie konstrukcje zostały zaprojektowane tak, by reagować na różne bodźce zewnętrzne, takie jak pole magnetyczne, światło UV czy obecność nadtlenku wodoru, wykonując w odpowiedzi specyficzne ruchy. Taka multifunkcjonalność otwiera drogę do potencjalnych zastosowań w precyzyjnym dostarczaniu leków, katalizie czy mikroinżynierii. Nowa metoda adresuje fundamentalny problem, który od lat ograniczał rozwój zaawansowanej mikrofabrykacji 3D: trudności w wytwarzaniu skomplikowanych architektur 3D z różnorodnych materiałów, wychodzących poza standardowe polimery. Otwiera to teoretyczne możliwości dla postępu w robotyce koloidalnej, mikrofotonice czy tzw. technologii lab-on-a-chip.