雙光子聚合—高精密制造領域的“新星”
時間：2023-12-09 17:21 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
納米和微米級 3D
打印技術提供了設計自由度和效率，為眾多開創性創新鋪平了道路，特別是在微光學和微機械領域。這些成果反過來又帶動新發展，推動技術進步。因此，近年來，可用于生產這些微米和納米物體的
3D 打印技術的商業化有所增加，其中雙光子聚合是發展起來的最重要的3D 打印技術之一。
雙光子聚合通常簡稱為2PP。與該技術相關的其他術語包括雙光子光刻、直接激光寫入或雙光子聚合石墨烯。2PP屬于微型
3D 打印范疇，可以被視為一種先進的增材制造技術。基本原理由大阪大學的 Shoju Maruo、Osamu Nakamura 和
Satoshi Kawata 于 1997 年開發。此后，許多公司繼續開發該技術，以各種專利名稱將其設備推向市場。
△3D 打印的微觀結構：雙光子聚合可用于生產微米和納米尺度的復雜結構（照片來源：Fraunhofer ISC）
雙光子聚合的原理
雙光子聚合，顧名思義，是基于光聚合原理的。在這里，有針對性的光照會引發聚合反應，或者將單體聚集在一起形成合成樹脂聚合物鏈的過程。這種連鎖反應導致分子結合并固化，從而形成 3D 模型。所有光固化工藝的工作方式都相似，但程序有所不同。
2PP 可以與立體光刻技術進行比較，其中激光束逐點硬化液態樹脂，直到逐層創建物體。立體光刻和 2PP
之間的區別在于與所實現的光子的相互作用。術語“雙光子聚合”源自材料的聚合過程，即其固化。在立體光刻中，這是通過激光器發射的整束光束來實現的。另一方面，在雙光子聚合中，使用激光或紅外輻射形式的可見輻射。
不過，總的來說，2PP
的原理與立體光刻技術非常相似。激光照射樹脂分子，激活它們并引發反應，使它們硬化。然而，這種激活僅在分子同時吸收激光束的兩個光子時發生。因此，雙光子聚合是基于通過同時吸收兩個光子來激發光敏分子的過程。為了很有可能實現這種效果，激光束的強度必須非常高。激光強度在焦點中心處最大，因此僅在那里發生兩個光子的吸收。
△雙光子聚合利用雙光子吸收的效應。（來源：弗勞恩霍夫 ISC）
激光能量在輻射焦點（體素）處產生如此強烈，以至于可以在那里發生光敏聚合物的局部受控固化，而周圍材料的其余部分仍保持液態。然而，在
2PP
中，必須在幾分之一秒的范圍內使用超短脈沖激光束。這是因為該過程可以在激光的幫助下進行，使得光子密度足夠高，以便在激光束的焦點處同時吸收兩個光子。通常，這些波長不會被樹脂吸收。然而，強聚焦和照射的性質導致焦體積內的雙光子吸收效應。因此，固化僅限于微小的焦點體積，從而可以創建復雜的
3D 微觀結構和納米結構。
因此，樹脂僅在激光束的焦點處發生反應，并且激光束可以引導穿過多個層，從而僅固化所需的層或特定點。計算機控制的引導允許逐點寫入
3D
結構，因此稱為激光直寫。這意味著強激光聚焦和激光強度對于確保納米直徑復雜結構的固化起著決定性作用。曝光后，用溶劑進行后處理，除去未曝光的液態樹脂。使用
2PP 3D 打印的最終部件具有極高的精度和小于 25 nm 的分辨率。
△在雙光子聚合中，激光在液體樹脂中“寫入”結構和圖案。（來源：海德堡儀器）
一般來說，高精度分辨率的打印需要相對較長的生產時間。精確的加工方法和材料的準時固化使得宏觀打印品的生產時間極長。因此，該過程更適合質量有限的小物體。
另一方面，在微米和納米范圍內，雙光子聚合使許多應用成為可能。沒有設計限制，因此可以小規模生產任意結構。可擴展性范圍從 100 納米到厘米。此外，2PP并不限于如上所述的逐層制造，而是依賴于特定點聚合的固有過程。
兼容材料和主要應用方向
2PP技術的應用領域是在最狹窄的空間中需要最高精度的領域，例如微光學領域。雙光子聚合可用于制造用于顯微鏡和微透鏡的光纖端部。在微機械領域，該過程用于制造芯片。此外，許多微電子元件和微流體裝置也采用2PP制造。
另一個應用領域是醫療領域。2PP
可用于創建細胞生長的支架結構，從而啟動組織形成。它還用于細胞或分子水平的植入物。例如，可以生產插入體內的藥物輸送系統。基于患者組織的植入物的生產限制了排斥反應。對患者自己的材料進行微壓印還可以避免在不久的將來供體植入物的短缺。因此，雙光子聚合被用于許多領域，并正在推動這些領域的重要進步。
△使用3D µ-CT 掃描儀高精度復制人體骨小梁結構（左）。“Osteoprint”中的骨細胞培養（右）。（來源：A. Marino，IIT Pontedera）
使用的材料取決于要執行的應用。環氧樹脂、光刻膠和水凝膠是雙光子聚合中最常用的材料。越來越多的有機材料以及混合材料被使用。例如，雜化聚合物用于生產具有更高穩定性的陶瓷或陶瓷前體結構。
雙光子聚合3D打印機制造商
雙光子聚合 3D 打印系統的領先制造商包括
Nanoscribe（德國）、UpNano（奧地利）、Microlight（法國）、Multiphoton Optics（德國）和
Moji-Nano-Technology（中國）。Nanoscribe 開發了自己的基于雙光子聚合的工藝，稱為雙光子灰度光刻
(2GL)。Nanoscribe Quantum X 是世界上第一臺在 2GL 上運行的工業 3D 打印機。另一種 Nanoscribe
打印機是 Quantum X Shape，用于快速原型制作和大規模生產。UpNano 則推出了世界上最快的高分辨率打印系統 NanoOne
系列。該公司還推出了 NanoOne Bio System，這是一款專為活細胞 3D 生物打印而設計的打印機。
△通過2PP制造的垂直微透鏡系統。（來源：海德堡儀器）
許多 3D 打印機制造商還提供自己的材料。例如，UpNano 開發了一種黑色 2PP 材料
UpBlack，非常適合光學系統。此外，耐溫塑料UpThermo是與Cubicure合作開發的。Microlight 3D 還提供自己的
microFAB 材料，用于其自己的打印機，例如
MicroFAB-3D。與此同時，弗勞恩霍夫研究所在材料開發和雙光子聚合的進步方面表現出色。除了用于生物應用的材料之外，他們還希望將雙光子聚合開發為已建立的專有工藝領域技術。
由于各個行業的需求，微米和納米范圍的3D打印變得越來越重要。雙光子聚合是一種高度通用的過程，這就是它被應用于越來越多領域的原因。該技術實現了醫學、微光學和微電子領域的開拓性創新和突破，為該行業的許多令人興奮的發展做出了貢獻。
(責任編輯：admin)
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