3Dプリントされた構造物は「消去」することもできる

出典: X-MOL

紙に情報を書いたり消したりすることは、日常的なことです。書き方を習い始めたばかりの子供でも、科学分野の研究者でも、紙に書いたり消したりすることは日常生活の一部です。鉛筆で書いたものは簡単に消すことができますが、ペンで書いたものは簡単に消すことができません。同様に、人気の 3D 印刷技術にも問題点があります。それは、印刷された構造の不要な部分を高解像度で「消去」する方法です。化学の分野を見てみましょう。反応における共有結合または非共有結合の可逆的な形成と切断は、広義では「書き込み」と「消去」とも考えられます。では、化学結合の形成と破壊を 3D 印刷技術に導入し、印刷された構造の可逆的な「消去」を実現することは可能でしょうか?

最近、ドイツのカールスルーエ工科大学（KIT）のマーティン・ウェゲナー、クリストファー・バーナー・コウォリック、エヴァ・ブラスコらは、感光性ポリマーシステムを研究の入り口として取り上げ、o-ニトロベンジルエーテル（ONB）を含むフォトレジスト樹脂を使用して、3Dプリントされた微細構造の光学的書き込みと消去を研究しました。研究チームは、光開始剤の助けを借りた900nm光誘起アクリレートモノマーのフリーラジカル重合架橋と、700nmレーザー照射下でのONB官能基の光分解に基づいて、光制御による微細3D構造の構築と選択的消去を初めて達成しました。関連論文がAdvanced Materialsに掲載されました。

感光性樹脂構造と光制御3Dプリントおよび消去の概略図。画像クレジット: Adv. Mater.
アクリル樹脂の光開始重合中に光によって引き起こされるONB基の光分解を回避するために、研究チームは、フェムト秒レーザーの波長を900 nm、出力を8 mW、3Dプリントの光書き込み速度を100 μm s-1、レーザー消去波長を700 nm、平均出力を10 mW、溶媒系をDMSOとスクリーニングして決定しました。研究チームは、前述の900nm波長レーザーを使用して15×15×5μm3の立方体構造を3Dプリントし、その後700nm波長レーザーを使用して立方体構造を選択的に消去し、最終的にさまざまな複雑な3D構造デバイスを取得しました。 SEM テストでは、光消去によって形成された微細構造形態は滑らかなエッジ構造と良好な空間規則性を持ち、マイクロ流体デバイスなどの複雑な微細構造 3D 構造デバイスの製造に優れた実用性があることが示されています。

光制御による複雑な 3D 微細構造デバイスの製造。画像出典: Adv. Mater. ONB 含有フォトレジスト樹脂と市販のフォトレジスト樹脂との適合性をさらに実証するために、研究者らは ONB 含有フォトレジスト 3D プリントを使用して 5 × 5 μm2 の正方形のベースを準備し、ベース間の直線接続コンポーネントを準備するための材料として市販のアクリルを使用しました。 ONB 含有樹脂マトリックス中の残留反応性官能基に基づいて、ベース樹脂は線状樹脂と共有結合を形成することができる。 ONB 含有樹脂ベースの 700 nm 光消去性に基づいて、選択領域露光によって 3D 微細構造アレイ内のローカルな個々のデバイスを完全に消去できます。

新しい感光性樹脂と市販のフォトレジスト樹脂との適合性の実証。画像クレジット: Adv. Mater.
要約すると、フォトレジストのユニークな光架橋または光分解特性により、フォトレジストは微細構造の準備の分野で広く使用されています。本論文では、フォトレジスト樹脂に光架橋官能基と光分解官能基を同時に導入し、先進的な3D印刷技術を利用して、さまざまな複雑な3D微細構造デバイスの構築と成形デバイスの二次局所構造制御を容易に実現します。同時に、この研究結果における新しい感光性樹脂は市販のフォトレジストと優れた適合性を示し、複合材料の微細構造デバイスの製造において独自の利点をもたらします。

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