Fizikusok kinyomtatták az első, mindössze 30 mikrométeres minihajót
2020 / 10 / 29 / perei.dora
Fizikusok kinyomtatták az első, mindössze 30 mikrométeres minihajót
Az orrától a fenekéig mindössze harminc mikrométeres ez az apró hajó, ami a haj átmérőjének körülbelül egyharmada. Az úszó járművet ábrázoló fotót elektronmikroszkóppal rögzítették, amire jó okuk volt a szakembereknek: a dolog megértéséhez azonban ássunk bele kicsit jobban magunkat az úgynevezett microswimmerek világába, amelyekkel jelenleg is dolgoznak a Leideni Egyetem fizikusai, Rachel Doherty, Daniela Kraft és munkatársai, a mikrohajó feltalálói.

Leegyszerűsítve a microswimmerek olyan részecskék, amelyek a víz belsejében mozognak, mozgásuk pedig mikroszkóp segítségével lekövethető. Ezen részecskék két fő kategóriába sorolhatók: biológiaiba és mesterségesbe. Előbbiekbe tartoznak például a baktériumok vagy vírusok, utóbbiakba pedig a jelenlegihez hasonló találmányok. A mesterséges változatokkal ugyanakkor mostanáig az jelentette a legnagyobb problémát, hogy amíg a biológiai microswimmer bármilyen formában felbukkanhat, addig az emberek által generált csak gömb alakban. A 3D-nyomtatás azonban változtathat ezen, amint azt a kutatók tanulmányukban is bemutatták:

különböző formákat nyomtattak, például egy spirál alakú részecskét, és azt tapasztalták, hogy az a vízen mozgatva maga körül forog.

Kraft csapata az úgynevezett kétfoton polimerizációt (2PP) használta eszközük megalkotására. A 2-foton polimerizáció (2PP) egy viszonylag friss módszer, a 3D-nyomtatás olyan ultrapontos gyártási technológiája, amelyet eddig csak nagyon korlátozott méretarányra lehetett optimalizálni. Ezenkívül a centiméteres (mezo) tartományban történő gyártás rendkívül sokáig tartott, emiatt alkalmazása nem volt túl gazdaságos az ipari mennyiségű termelés szempontjából. Pedig a rendszer nagyon precíz mintákat képes előállítani nano- és mikrométeres felbontásban is, centi-, milli- és mikrométeres méretben is. Mindezt ráadásul percek alatt teszi. A hajó esetén a kiindulási pontot egy monomer anyag adta: a lencsén keresztül irányított, közeli-infravörös lézersugarak polimerizációs reakciót indukáltak, és formába öntötték azt. Ebben a kontextusban a nyomtatási folyamat valójában egy lézer fókuszpontját irányítja. Ez az a pont, ahol jól jön a közeli-infravörös lézersugár alkalmazása, mivel ez az anyag meglehetősen átlátszó. Míg a polimerizálatlan rész a folyamat végén feloldódik. A fénnyel indukált polimerizációnak gyakran UV-fényre van szüksége, a 2PP módszerben pedig két infravörös foton kell a szükséges UV frekvencia hullámhossz eléréshez. Ezek a fotonok összeolvadnak, és átalakítják az UV-t a monomer polimerizálásához.

Az osztrákok is kísérleteznek a 2PP-vel

Egy mostanában fejlesztett, nagy teljesítményű lézerrel felszerelt rendszer ugyanis lehetővé tette a 2PP (kétfotonos polimerizáció) 3D-nyomtatási technológiát használó osztrák szakemberek számára, hogy a nano-, a mikro- és a mezo mérettartományban is rendkívül precízen és gyorsan nyomtathassanak.

A lézer, az optimalizált optikai útvonaltervező, a szabadalmaztatott adaptív felbontású technológia, valamint a lézeres letapogatást végző intelligens algoritmusok együttes alkalmazása

olyan nagy felbontású 3D-nyomtatási technológiát eredményez, amilyenre korábban még nem volt példa. A szóban forgó nano- és mikrofelbontású alkatrészek tizenkét méretben (és nagy mennyiségben is) nyomtathatók, méghozzá minden eddiginél nagyobb sebességgel. Mindez a bécsi UpNano GmbH, a TU Wien csúcskategóriás 2PP 3D-nyomtató rendszerének köszönhető, ami egyrészt képes legyártani akár száz–ezertizenkét mikroköbméter térfogatú polimer alkatrészt, másrészt lehetővé teszi a nano- és mikroméretű részek pontos 3D-s megjelenítését. A vállalat az Eiffel-torony négy modelljének kinyomtatásával demonstrálta az eszköz sokoldalúságát: a tornyok mérete kétszáz mikrométer és négy centiméter között volt, tökéletesen ábrázolva a legapróbb szerkezeti elemeket is. Ezt a teljesítményt ráadásul harminc-ötszáznegyven perc alatt sikerült elérniük. Ezzel szerintük a 2PP 3D-nyomtatás készen áll a K + F és az ipari alkalmazások számára olyan területeken is, amelyek eddig lehetetlennek tűntek.

Hogy hol?

Például az orvostudományban és kutatásban, a mikrotűk előállításánál, ahol szigorú tűréshatároknak és meghatározott jellemzőknek kell megfelelni, úgy mint a szúrófej vagy a tartály. A funkcionális mikromechanikus alkatrészek az UpNano technológia egy másik érdekes alkalmazási területei: egy funkcionális rugó, melynek magassága hat milliméter, kevesebb, mint hat perc alatt elkészül, vagy ott vannak a kétkomponensű alkatrészek mellékelt mozgatható elemekkel, amik szintén egyetlen nyomtatással elkészíthetők.

„Létrehoztunk és szabadalmaztattunk egy innovatív adaptív felbontási technológiát a már meglévő 3D nyomtatási rendszerünkhöz” – mondja Peter Gruber, az UpNano technológiai igazgatója, társalapítója.

Hozzátette: az optimalizált optikai út és az intelligens algoritmusok mellett a lézer kapacitása akár egy Watt erősségig növelhető, ami többszöröse egy átlagos rendszer teljesítményének. Egy ilyen erős lézer elegendő energiát biztosít nagy sebességű nyomtatáshoz, különösen adaptív felbontásban. Ez valójában jelentős előnyt jelent más, gyengébb lézereket használó rendszerekhez képest, amelyekben korlátozott az átviteli sebesség.

Bernhard Küenburg, az UpNano vezérigazgatója szerint az innováció előnye a mezo tartományban érzékelhető leginkább, mivel a NanoOne rendszer sokkal gyorsabb gyártási időt ígér más rendszerekhez képest. Ehhez jön a szabadalmaztatott adaptív felbontási technológiájuk, míg végül lehetőség adódik a centiméteres méretű tárgyak kinyomtatására is, mikrométer pontosságú felbontással, rövid gyártási ciklusok alatt. Az algoritmus lehetővé teszi a lézerfolt tízfaktoros kiszélesítését egészen tízes fokozatig, a nyomtatott minta specifikációjának megfelelően. Emellett többféle eszköz közül választhatnak a négyszeres nagyítástól a százszorosig terjedő tartományban, lehetővé téve az alkatrészek előállítását mikrotartományban, nanométeres felbontással. A speciális optikai útvonalaknak, az optimalizált letapogatási algoritmusoknak és az adaptív felbontási technológiának köszönhetően ez is gyorsabb más rendszereknél.

(Fotó: University of Leiden, 3dprintingmedia.network)


Először vagy itt? Ez itt a Rakéta!
Olvasd el főszerkesztőnk beköszönőjét, mire számíthatsz tőlünk!
AKCIÓS ÚJ ÉPÍTÉSŰ LAKÁSOK BUDAPESTEN AKÁR 27 915 000 Ft-tól. TÉLI AKCIÓ A CORDIÁTÓL
Legyen a leggyorsabbak között, és szerezze meg álmai otthonát egyedülálló kedvezménnyel! 2020. december 31-ig kiemelt kedvezménnyel, akár 9% árelőnnyel vásárolhatja meg az ideális lakást kínálatunkból.
Ezek is érdekelhetnek

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.