研究者は光を使ってナノヘリカル構造を3Dプリントする。この方法はシンプルでスケーラブルである。

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-3-19 15:45 に最後に編集されました

2024年3月19日、Antarctic Bearは、ミシガン大学の研究者が3Dの螺旋構造を作成するためのシンプルでスケーラブルな方法を開発したことを知りました。らせん構造は光学、電子工学、生物医学など多くの用途で重要であるため、これは 3D 印刷業界にとって重要な進歩となる可能性があります。この新しい方法は、複雑な構造物の製造における 3D プリント技術の応用を促進し、関連産業に革新と発展をもたらす可能性があります。

△ 左回りと右回りの光を使って形成されたナノヘリックスを走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影した画像。ミシガン大学アーヴィング・ラングミュア化学科学工学教授で、この研究の共同責任著者でもあるニコラス・コトフ氏は、「私たちの目的の1つは、現在の多くの技術のボトルネックとなっている複雑な材料の製造プロセスを大幅に簡素化することです」と語った。

△この研究は米国科学アカデミー紀要に掲載されました。研究タイトルは「円偏光直接描画によるプラズマナノヘリックス3Dプリント」（ポータル）
研究開発の技術的背景

キラル表面、つまり鏡面対称性のない表面（左手系や右手系など）は、ナノスケールで光を曲げることができるため、需要が高まっています。新たな研究では、ナノスケールの螺旋状の「森」を3Dプリントすることで、それらを作成する方法が実証されています。らせん軸をビームに合わせると強力な光学回転が生じ、キラリティーが一般的な医療や情報技術などの分野でキラリティーを活用できるようになります。

プラズモニック金属で作られたキラル表面は、非常に感度の高いバイオ検出器を大量に製造できるため、さらに理想的です。例えば、危険な薬剤耐性細菌、変異タンパク質、DNAによって生成される特定の生体分子を検出し、標的治療法の開発に役立ちます。これらの材料は、光と電子システム（光ファイバーケーブルなど）の相互作用を利用して情報技術を進歩させ、データ保存容量の増大と処理速度の高速化をもたらす可能性もあります。

△ 螺旋光による螺旋状ナノ構造の 3D プリントは、ナノリソグラフィーよりもシンプルで安価な代替手段を提供します。電動ステージを備えた円偏光駆動印刷システムを示す概略図
光を使った螺旋状ナノ構造の3Dプリント

直立した螺旋で作られたこれらの特殊な 3D 構造表面の重要性にもかかわらず、従来の製造方法は複雑で高価であり、大量の廃棄物が発生します。

代替手段として 3D プリントが提案されていますが、既存の 3D プリント技術ではナノスケールの解像度を実現できません。これらの材料を作成するには、通常、2 光子 3D リソグラフィーや電子ビーム誘起堆積などの高度に特殊化されたハードウェアを使用する必要があります。このタスクに対応できるハイエンドデバイスはごくわずかです。さらに、これらの方法は非常に正確ですが、低圧または高温での時間のかかる多段階の処理が必要です。

解決策として、ミシガン大学の研究チームは、らせん状のビームを使用して特定の方向とピッチを持つナノスケールのらせんを生成する方法を開発しました。

△基板表面の法線方向に配向した円偏光レーザービーム（CPL）駆動による銀ナノヘリックス合成
「安価な中出力レーザーを使用すれば、わずか数分でセンチメートル規模のカイラルプラズモニック表面を作製できる」とコトフ氏は言う。「こうしたらせん状の森がいかに速く成長するかは驚くべきことだ。」

らせん状の光を使用してらせん構造を 3D プリントする技術は、10 年前に MIT が発見した光から物質へのキラリティー転送技術に基づいています。

水性銀塩溶液を使用したシングルステップのマスクレス直接書き込み印刷は、積層造形を進歩させながらナノリソグラフィーの代替手段を提供します。光駆動印刷金属スパイラルの加工の容易さ、高い偏光回転、優れた空間分解能により、次世代光チップ用の複雑なナノ構造の作成が大幅に加速されます。

研究者は光を使ってナノヘリカル構造を3Dプリントする。この方法はシンプルでスケーラブルである。

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