3D-printen nanoresonatoren: op weg naar geminiaturiseerde en multifunctionele sensoren

Micro-elektromechanische apparaten (MEMS) zijn gebaseerd op de integratie van mechanische en elektrische componenten op micrometerschaal. We gebruiken ze allemaal continu in ons dagelijks leven: in onze mobiele telefoons zijn er bijvoorbeeld minstens een dozijn MEMS die verschillende activiteiten regelen, variërend van bewegings-, positie- en hellingsbewaking van de telefoon; actieve filters voor de verschillende transmissiebanden en de microfoon zelf.

Nog interessanter is de extreme miniaturisatie op nanoschaal van deze apparaten (NEMS), omdat het de mogelijkheid biedt om traagheids-, massa- en krachtsensoren te maken met een zodanige gevoeligheid dat ze kunnen interageren met afzonderlijke moleculen.

De verspreiding van NEMS-sensoren wordt echter nog steeds beperkt door de hoge productiekosten van traditionele op silicium gebaseerde technologieën. Omgekeerd hebben nieuwe technologieën zoals 3D-printen aangetoond dat vergelijkbare structuren kunnen worden gemaakt tegen lage kosten en met interessante intrinsieke functionaliteiten, maar tot op heden zijn de prestaties als massasensoren slecht.

Het artikel “Op silicium gebaseerde NEMS-prestaties bereiken met nanomechanische resonatoren van 3D-printers”, gepubliceerd in Natuurcommunicatie laat zien hoe het mogelijk is om mechanische nanoresonatoren te verkrijgen uit 3D-printen met verdiensten zoals kwaliteitsfactor, gepubliceerde stabiliteit, massagevoeligheid en sterkte vergelijkbaar met die van siliciumresonatoren. Het onderzoek is het resultaat van de samenwerking tussen de Politecnico di Torino (Stefano Stassi en Carlo Ricciardi van de afdeling Toegepaste Wetenschappen en Technologie; en Mauro Tortello en Fabrizio Pirri van de groepen NAMES en MPNMT) en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, met de onderzoek van Ido Cooperstein en Shlomo Magdassi.

De verschillende nanodevices (membranen, cantilever, bruggen) werden verkregen door twee-fotonpolymerisatie op nieuwe vloeibare samenstellingen, gevolgd door een thermisch proces dat de organische inhoud verwijdert, waardoor een keramische structuur met hoge stijfheid en lage interne dissipatie achterblijft. De aldus verkregen monsters worden vervolgens gekarakteriseerd door laser Doppler vibrometrie.

“De NEMS die we hebben gefabriceerd en gekarakteriseerd”, legt Stefano Stassi uit, “hebben mechanische prestaties die in lijn zijn met de huidige siliciumapparaten, maar ze worden verkregen via een eenvoudiger, sneller en veelzijdiger proces, waardoor het ook mogelijk is om nieuwe chemisch-fysische functionaliteiten. Het materiaal dat in het artikel wordt gebruikt, is bijvoorbeeld Nd:YAG, dat normaal gesproken wordt gebruikt als een laserbron in vaste toestand in het infraroodbereik.”

“De mogelijkheid om complexe en miniatuurapparaten te fabriceren met prestaties die vergelijkbaar zijn met die van silicium”, zegt Shlomo Magdassi, “door een snel en eenvoudig 3D-printproces, brengt nieuwe horizonten op het gebied van additive manufacturing en rapid manufacturing.”