Nieuwe fotoresist maakt 3D-printen van de kleinste poreuze structuren mogelijk

Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Heidelberg hebben een fotoresist ontwikkeld voor microprinting met twee fotonen. Het is nu voor het eerst gebruikt om driedimensionale polymeermicrostructuren te produceren met holtes in het nanobereik. In Geavanceerde materialen, rapporteren de wetenschappers hoe porositeit tijdens het printen kan worden gecontroleerd en hoe dit de lichtverstrooiingseigenschappen van de microstructuren beïnvloedt.

Fotolakken zijn drukinkten die worden gebruikt om de kleinste microstructuren in drie dimensies te printen door middel van zogenaamde tweefotonenlithografie. Tijdens het printen wordt een laserstraal in alle ruimtelijke richtingen door de aanvankelijk vloeibare fotolak bewogen. De fotolak hardt alleen uit in het brandpunt van de laserstraal. Op deze manier kunnen beetje bij beetje complexe microstructuren worden opgebouwd. In een tweede stap wordt een oplosmiddel gebruikt om die gebieden te verwijderen die niet aan straling zijn blootgesteld. Complexe polymeerarchitecturen in het micrometer- en nanometerbereik blijven bestaan.

Twee-fotonenpolymerisatie – of twee-foton-microprinting op basis van dit proces – wordt al enkele jaren uitgebreid bestudeerd, met name wat betreft de productie van micro-optica, zogenaamde metamaterialen, en microscopie voor experimenten met enkele biologische cellen. Om het spectrum aan toepassingen uit te breiden, zijn nieuwe bedrukbare materialen nodig. Dit is het vertrekpunt van de wetenschappers die betrokken zijn bij de Cluster of Excellence 3-D Matter Made to Order (3DMM2O) van KIT en Heidelberg University. “Met behulp van conventionele fotoresists was het mogelijk om alleen transparante, glazige polymeren te printen”, zegt Frederik Mayer, fysicus van KIT en hoofdauteur van de studie. “Onze nieuwe fotolak maakt het voor het eerst mogelijk om 3D-microstructuren van poreus nanoschuim te printen. Dit polymeerschuim heeft holtes van 30 tot 100 nm, die gevuld zijn met lucht.”

Van transparant tot wit

“Er is nog nooit een fotoresist geweest voor 3D-lasermicroprinting, waarmee ‘wit’ materiaal kan worden bedrukt”, benadrukt Frederik Mayer. Net als in een poreuze eierschaal, laten de vele kleine luchtgaatjes in de poreuze nanoarchitecturen ze wit lijken. Het mengen van witte deeltjes tot een conventionele fotolak zou dit effect niet hebben, omdat de fotolak transparant moet zijn voor de (rode) laserstraal tijdens het printen. “Onze fotoresist”, zegt Mayer, “is transparant voorafgaand aan het printen, maar de geprinte objecten zijn wit en hebben een hoge reflectiviteit.” De onderzoekers uit Karlsruhe en Heidelberg lieten dit zien door een Ulbricht-bol (een optische component) zo fijn als een haar te printen.

Een andere factor die nieuwe toepassingen opent, is het extreem grote interne oppervlak van het poreuze materiaal. Het kan nuttig zijn voor filtratieprocessen op de kleinste ruimte, sterk waterafstotende coatings of het kweken van biologische cellen.

De samenwerking van drie van de negen onderzoekstransacties van de Cluster of Excellence onthulde voor welke toepassingen de nieuwe fotoresist geschikt is en hoe deze op de best mogelijke manier kan worden toegepast. Door middel van elektronenmicroscopiescans en optische experimenten lieten de onderzoekers zien hoe de caviteiten verdeeld zijn in geprinte structuren en hoe hun vorming gecontroleerd kan worden door de printparameters en in het bijzonder de intensiteit van de laserpulsen te variëren. Het werk in het cluster van excellentie werd uitgevoerd door materiaalwetenschappers van de Universiteit van Heidelberg en door scheikundigen en natuurkundigen van het KIT.