科学者がX線顕微鏡用ナノレンズを1分で3Dプリント

2018年10月16日、アンタークティックベアは海外メディアから、マックスプランク知能システム研究所の科学者が3Dプリント技術を使用して、ポリマー材料からナノサイズの特徴と優れた焦点合わせ機能を備えたX線レンズを作成したことを知りました。この新しい技術により、X線光学特性を持つ単一のレンズを1分以内に製造できるようになり、試作コストを削減できます。

X 線顕微鏡は、ナノメートルスケールの解像度と大きな浸透深度を独自に組み合わせた画像化ツールです。 X 線顕微鏡 (XRM) は、高解像度で内部の特徴を研究できる唯一の技術です。これにより、たとえば、コンピューターの中央処理装置を破壊することなく欠陥を確認したり、動作条件下でマイクロマシンを可視化したり、自然環境の細胞内の細胞小器官を研究したりすることができます。
しかし、X 線を集束させるには、極めて困難なナノスケールの形状を持つ光学系が必要です。複雑なナノ製造方法のため、レンズ 1 個のコストは数万ユーロにもなります。
同研究所の現代磁気システム部門と物理知能部門は協力し、X線を効率的に集束できる収束レンズである3Dキノフォームを製造する新しい安価な方法を見つけている。キノフォームは理想的ではない近似パターンで製造され、複雑な複数段階の製造プロセスを必要とします。ここで 3D プリントが役立ちます。彼らは、フェムト秒 2 光子 3D ナノプリンティングが、このような回折 X 線光学系を製造するための最良の方法であることを発見しました。
「私たちは、フェムト秒パルス赤外線（IR）レーザーと、複数のIR光子を同時に吸収して重合するフォトレジストを使用して、光の波長よりも小さな構造を書き込みました」とUmut T. Sanli博士は説明します。「このようにして、ナノスケールの特徴と非常に高い集束効率を備えた極めて難しいX線レンズ形状を実現しました」と彼は続けた。「予備的な結果では、3Dプリントされたキノフォームは、直接的な軟X線イメージングとタイコグラフィーを使用して、最大20パーセントの効率で優れた性能を発揮することが示されています。」
XRM の X 線光学系は放射線による損傷のため、ほぼ毎年交換する必要があります。したがって、X 線レンズを製造するには、スループットが高く、歩留まりの高い製造プロセスを見つけることが重要です。

「適切な材料を選択することは、製造プロセスの重要な部分です」と、マイクロ/ナノグループの責任者である Kahraman Keskinbora 博士は説明します。彼と彼のチームは、X 線レンズの製造に 2 光子重合 (2PP) ポリマーを選択しました。

「2PPポリマーは、非常に優れたX線光学特性を持ち、これに匹敵するのは毒性の強い元素であるベリリウムと、非常に高価なダイヤモンドだけであることに気づきました。」さらに、ベリリウムとダイヤモンドはどちらも、ナノスケールで望ましい3D輪郭に成形するのが難しい。「この新しい発明を使えば、レンズの 3D プリントは 1 分もかからないので、X 線レンズの試作と製造にかかるコストが大幅に削減されます。さらに、ポリマーレンズは安全に製造でき、一度最適化すれば簡単に加工できます」と Hakan Ceylan 博士は強調します。

△新しい概念と新しいX線光学における3Dナノプリンティング技術の応用。
「複数のレンズを組み合わせることで、私たちは一歩前進しました。さまざまな光学系を統合することで、X 線波面を効果的に制御および操作できます。複数のレンズとその他の波面形成要素を次々に配置することで、非常に厳しい X 線エネルギー範囲に対しても、これらの統合 X 線光学システムを最適化できます」とケスキンボラは述べています。「従って、追うべき新しい研究の場がたくさんあるのです。」

研究者たちはマックス・プランク・イノベーションの支援を受けて、この発明の特許を申請した。

科学論文の全文はここからご覧いただけます。

出典: 3ders

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