Pesquisadores do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, ETH Zurique, Instituto Actual de Tecnologia KTHo Universidade Nacional de Singapurae Universidade Koç desenvolveram uma técnica de microfabricação e nanofabricação optofluídica 3D que permite a criação de microestruturas totalmente tridimensionais a partir de uma ampla gama de materiais, incluindo nanopartículas metálicas, óxidos metálicos, nanopartículas de diamante e pontos quânticos.
Relatado em Naturezao método combina polimerização de dois fótons com fluxo de fluido acionado por luz para montar blocos de construção de nanopartículas em estruturas volumétricas, abordando limitações de materiais de longa knowledge na impressão 3D em microescala de alta resolução.
Usando fluxo acionado por luz para montar matéria em 3D
A polimerização convencional de dois fótons é amplamente utilizada para impressão 3D em micro e nanoescala devido à sua alta resolução espacial, mas é amplamente restrita a polímeros reticuláveis. Embora pesquisas recentes tenham expandido os materiais imprimíveis por meio de fotorresistentes especializados ou estratégias de pós-processamento, essas abordagens normalmente permanecem específicas do materials.
O método recentemente relatado separa a definição geométrica da composição do materials. No processo, um micromodelo de polímero oco é primeiro fabricado usando 2PP. O modelo é então imerso em uma suspensão contendo nanopartículas ou micropartículas. Um laser de femtosegundo é aplicado próximo a uma abertura na estrutura, gerando um gradiente térmico localizado que induz forte fluxo convectivo no fluido circundante. Este fluxo optofluídico transporta partículas para o quantity confinado do modelo, onde elas se acumulam e se agrupam na geometria 3D prescrita.
Após a montagem, o molde de polímero é removido usando tratamento de plasma, deixando uma microestrutura mecanicamente estável e independente, composta inteiramente de nanopartículas alvo densamente compactadas, mantidas juntas principalmente por forças de van der Waals.
Montagem previsível governada pela física coloidal
Os pesquisadores mostram que a montagem bem-sucedida depende do equilíbrio entre as interações partícula-partícula e as interações partícula-fluido. A atração entre partículas, descrita usando a teoria DLVO, deve superar as forças de arrasto hidrodinâmico geradas pelo fluxo induzido pelo laser.
Variando parâmetros como força iônica, composição do solvente, concentração de surfactante e velocidade de varredura a laser, a equipe estabeleceu regimes previsíveis para agrupamento de partículas versus dispersão. Os resultados experimentais se aproximaram dos diagramas de fases teóricos, permitindo que o processo de montagem fosse ajustado para estabilidade e eficiência. Por exemplo, eles identificaram um limite crítico de velocidade de fluxo de aproximadamente 300 µm/s para o sistema modelo SiO₂, abaixo do qual o agrupamento ocorre de forma confiável.
Foram relatadas taxas de montagem da ordem de 10⁵ partículas por minuto, excedendo as técnicas típicas de montagem óptica e aproximando-se do rendimento prático para a fabricação de dispositivos em microescala.
Ampla compatibilidade de materiais demonstrada
Usando a abordagem optofluídica, a equipe montou microestruturas 3D complexas a partir de uma ampla gama de materiais, incluindo partículas de sílica de vários tamanhos, nanopartículas e nanofios de dióxido de titânio, nanopartículas de óxido de ferro, nanofios de óxido de tungstênio, nanofios de óxido de alumínio, nanopartículas de prata, nanopartículas de diamante e pontos quânticos de telureto de cádmio.
O método suporta partículas que variam de dezenas de nanômetros a vários micrômetros de tamanho, bem como conjuntos de partículas mistas. A montagem sequencial e seletiva do native também foi demonstrada, permitindo que estruturas multimateriais sejam fabricadas em um único substrato sem interferência cruzada. Esta capacidade culminou na fabricação de um único microrobô em forma de L integrando quatro materiais funcionais distintos.
Foi demonstrado que a qualidade da superfície melhora com distribuições de tamanho de partícula mais estreitas, enquanto as etapas de pós-processamento, como o recozimento térmico, aumentam ainda mais a robustez mecânica por meio da ligação entre partículas.
Demonstrações de dispositivos microfluídicos e microrobóticos
Além da fabricação estrutural, o estudo demonstrou microdispositivos funcionais possibilitados pela técnica. Microválvulas montadas em partículas incorporadas em canais microfluídicos impressos em 3D foram usadas para filtrar e enriquecer seletivamente nanopartículas com base no tamanho, permitindo o fluxo de solvente enquanto retém partículas sólidas.
A equipe também fabricou microrobôs com atuação multimodal. Estes incluíam estruturas de óxido de ferro acionadas magneticamente, micromotores de dióxido de titânio-ouro acionados por luz e robôs multimateriais capazes de responder a campos magnéticos, luz ultravioleta e combustíveis químicos. Ao controlar a geometria e a distribuição espacial do materials, foram alcançados modos de movimento distintos, como tombamento, propulsão linear e movimento rotacional.
Indo além da microimpressão 3D limitada por polímeros
Relatórios recentes destacaram esforços para dimensionar polimerização de dois fótons por meio de testes padronizados e melhor benchmarking, com o objetivo de aumentar a repetibilidade e comparabilidade em processos de impressão 3D em microescala. Esses desenvolvimentos refletem a crescente maturidade do processo para fabricação à base de polímeros de alta resolução. No entanto, como observado pelos autores do presente estudo, tais avanços não abordam as restrições subjacentes de compatibilidade de materiais da polimerização de dois fótons, que permanece largamente limitada a polímeros reticuláveis. A abordagem de montagem optofluídica descrita aqui visa esta limitação restante, permitindo a fabricação de microestruturas volumétricas a partir de uma gama mais ampla de materiais particulados.
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A imagem em destaque mostra a ilustração esquemática do processo de microfabricação/nanofabricação optofluídica 3D. Imagem dos autores, publicada na Nature.