すごい！エレクトロスピニングが3Dプリンターに、深セン製のマイクロナノ3Dプリンターが数秒でミクロンマップを描く

アンタークティックベアは、学校の研究室でエレクトロスピニング装置も使用しました。エレクトロスピニングとは、ポリマー溶液または溶融物を強力な電界でジェット紡糸する特殊な繊維製造プロセスです。電界の作用により、針の先端の液滴は球形から円錐形（「テイラーコーン」）に変化し、円錐の先端から繊維フィラメントが伸びます。この方法では、ナノメートル径のポリマーフィラメントを製造できます。しかし、電界紡糸されたフィラメントは無秩序に積み重ねられています。Antarctic Bearはかつて、電界紡糸されたフィラメントの積み重ね配置を整然と制御できれば、3Dプリンターになるだろうと予測していました。
△エレクトロスピニングの模式図
2017年11月17日、南極熊は、深センの電界紡糸設備会社である深セン同力微ナノテクノロジー株式会社がこの技術を実現したことを知りました。既存の電界紡糸装置では、電界力伸張により、高精度3Dモーションプラットフォームと連携して、直径0.01μm～1μmの点と線のさまざまな組み合わせを作ることができ、単一のナノファイバーと単一の量子ドットの整然とした堆積を実現します。実際、これは現時点では 2D 印刷としか考えられず、真の 3D 印刷になるにはまだ一歩進む必要があります。
△電気流体インクジェットプリンター

最近、クライオ電子顕微鏡技術の分野で優れた貢献をした科学者にノーベル化学賞が授与され、ミクロの世界に再び世界の注目が集まっています。

現在、深センでは、中国人が独自に開発したマイクロナノ設備もミクロの世界に焦点を当てています。生産された製品は外国の独占を突破し、欧米はおろか、NASA（アメリカ航空宇宙局）やアイビーリーグの大学など世界トップクラスの科学研究機関にも販売されています。マイクロナノ3Dプリントシステムは、整然と並んだ人工細胞スキャフォールドなどのマイクロナノレベルのバイオエンジニアリング製品を印刷できるだけでなく、ナノレベルの回路を印刷してフレキシブル電子デバイスを準備することもでき、人々の医療健康と便利な生活に役立ちます。

マジックボックスは「インク」を使ってマイクロナノ材料を印刷します

溶液をミクロンサイズのノズルから絞り出し、直径1μm～10μm（マイクロメートル）未満の液滴を形成し、電界力で引き伸ばします。高精度の3Dモーションプラットフォームと連携し、直径0.01μm～1μmの点と線のさまざまな組み合わせを作ることができ、単一ナノファイバーと単一量子ドットの整然とした堆積を実現します。これが電気流体力学 3D プリンターの仕組みです。

深セン市南山区の科学技術パークでは、世界最先端のマイクロナノレベルの3Dプリンター4～5台が集中的に生産されている。数日中に、これらの装置はそれぞれ北京、ボストン、ドバイに出荷される予定だ。

外見からすると、これらの機械は人々に明るい印象を与えません。冷蔵庫ほどの大きさの黒い箱は完全にくり抜かれており、内部は電子レンジのように見えます。箱の上部と下部には、極小の針と積載台があります。しかし、見た目は普通でも、その能力は並外れています。

「この機械は中国科学院がカスタマイズしたもので、特に電子材料に関する最新の研究に使用されています」と深セン同利マイクロナノテクノロジー株式会社のチーフエンジニア、李春斌氏は記者団に語った。この黒い機械は電気流体力学3Dプリンターと呼ばれる。その動作原理は、ミクロンサイズのノズルから溶液を押し出して、直径1μm～10μm未満の液滴を形成し、電界の力で引き伸ばすというものだ。高精度の3Dモーションプラットフォームの協力により、直径0.01μm～1μmの点と線のさまざまな組み合わせを作ることができ、単一のナノファイバーと単一の量子ドットの整然とした堆積を実現できる。

「これはマイクロナノレベルの3Dプリンターと理解できます。」Li Chunbin氏は、従来の3Dプリンターは実際には高温溶融と押し出し積層プロセスを通じてさまざまな金型を製造するマクロ生産プロセスであると説明した。さらに、市場に出回っている他の既存の 3D プリンターは、ノズルの直径以上のドットと線しか印刷できませんが、電気流体力学印刷では、ノズルの直径よりも小さいドットと線を印刷できます。

マイクロナノレベル 3D プリンターは、マイクロナノレベルで特殊な構造を印刷できます。プリンターは、導電性の「インク」を機械内に置き、電界を使用してこの魔法の「インク」を直径がわずか数十ナノメートルから数ミクロンの細いフィラメントに引き寄せます。これらのフィラメントは、設定されたコンピュータプログラムに従って、任意の形状と 3 次元構造の製品に配置されます。

李春斌氏は、伸線工程は繊維技術における「織り」工程に似ていると紹介した。細いフィラメントが線状につながり、最終的に厚さがわずかナノメートルからマイクロメートルの薄膜が平面上に「織り」出される。

記者は、この技術がハイエンドの生物学分野で使用されていることを知りました。 2016年、広東省珠江デルタのバイオテクノロジー企業がこのマイクロナノ3Dプリンターをカスタマイズし、人体に使用できる血管や手術用隔離膜などの組織を生産しようと試みた。

同里マイクロナノテクノロジー社の研究室で、記者は半透明のフィルムを見た。李春斌氏は、このフィルムは厚さわずか0.5mmで、人体移植組織用のバイオマテリアル会社が製造したものだと説明した。手のひらサイズしかないこのフィルムの市場価格は数千元近くになるという。

1日で1グラムの金を印刷材料として使うことができます。

他のマイクロナノ構造製造技術と比較して、電気流体力学印刷は、設備が簡単で、操作が簡単で、コストが低く、原材料の供給源が広いという利点があります。電子デバイス、フレキシブル電子ディスプレイ、ウェアラブルデバイス、太陽電池、マイクロセンサー、生物学的スキャフォールド、組織工学、有機発光ダイオード、バイオセンサー、エネルギー収集など、多くの分野で大きな発展の可能性を秘めており、応用され始めています。

生物製品のほか、マイクロナノ材料はより難しいマイクロエレクトロニクスの分野にどのように応用できるだろうか。中国科学院化学研究所の研究員である張星野氏は記者団に対し、これにはマイクロナノ生産における従来のワイヤーの乱れの問題を打開し、ナノファイバーを整然と並べることが必要だと語った。3D電気流体力学プリンターの開発に成功したことで、1μm以下の単一点と単一ワイヤーの精密印刷が実現した。

ナノファイバーの整然とした配列は、研究者にマイクロナノ材料の応用に関する無限の想像力を与えます。「細胞の足場を印刷できるだけでなく、顕微鏡でしか見えないマイクロ回路を作ることもできるので、電子部品のサイズをさらに小型化できます。」李春斌氏は、近年、マイクロナノ構造の製造分野が進歩し続けているため、マイクロナノ3D印刷装置は世界中のマイクロナノ構造の研究者にとって「必須」のものになっていると述べた。

他のマイクロナノ構造製造技術と比較して、電気流体力学印刷は、設備が簡単で、操作が簡単で、コストが低く、原材料の供給源が広いなどの利点があり、電子デバイス、フレキシブル電子ディスプレイ、ウェアラブルデバイス、太陽電池、マイクロセンサー、生物学的スキャフォールド、組織工学、有機発光ダイオード、バイオセンサー、エネルギー収集などの分野で大きな発展の可能性を秘めており、応用され始めています。

張星野氏は記者団に対し、これまで国内のマイクロナノ構造製造分野の研究者は主に高電圧電界紡糸機を使ってナノファイバーを製造していたと語った。「電界紡糸法で作られたナノファイバー膜は不織布のように無秩序に配列している。現在の応用分野はフィルター膜、医療用膜、電池セパレーターなどだ」

実際の運用においては、研究作業のさらなる深化と応用分野の継続的な拡大に伴い、整然と配列されたナノファイバーアレイの作成を必要とする科学研究者が増えています。深センでは、李春斌氏が全く新しいアプローチで無秩序な生産の問題を解決した。最新の3Dナノプリンターでは、外径わずか1ミクロンの針が従来のように極小のナノワイヤーを引き出すのではなく、毎秒3000μmのスピードでガラス板上の微細な点に当たり、まるで「弾丸を撃つように」最終的に一本の線に収束します。

李春斌氏は、マイクロナノ3Dプリンターを使って中国の地図を描く方法をコンピューター上で記者たちに実演した。数秒のうちに、ミクロンレベルの地図がガラス板上に現れた。

「針の動きの経路は必要に応じて制御できるため、あらゆる経路の回路を製造できる」と李春斌氏は述べ、マイクロナノレベルの回路技術が成熟すれば、マイクロナノ分野の生産と製造は新たな段階に入ると語った。

「インク」がマイクロナノデバイスに変換されると、これらのナノスケールの回路は安定して信頼できるのでしょうか？答えはイエスで、これは我が国の化学材料分野の重要な研究方向でもあります。李春斌氏は、従来のエッチング回路（最初に原材料でテンプレート全体を描き、次に化学薬品を使用して未使用部分を消去する）と比較して、このドット法の消費量は元の10分の1に過ぎないと説明しました。さらに、製造される製品はすべてマイクロナノスケールです。そのため、ミクロンレベルの回路と比較して、ナノ回路はインクを混ぜるために金などのより高価な原材料を使用してもコストは増加しません。李春斌氏は記者団に対し、マイクロナノ3Dプリンターと1グラムの金を原料として使用すれば、金を全て消費することなく丸一日かけて印刷することもできると語った。徐ミアン

出典: 南方網

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