フライブルク大学は、高精度のタングステン構造とマイクロ流体チップを印刷できる2光子重合3D印刷技術で新たなブレークスルーを達成しました。

2023年11月25日、Antarctic Bearは、ドイツのフライブルク大学のNeptunLabの科学者が2光子重合（2PP）3Dプリント技術において新たな進歩を遂げたことを知りました。チームは2021年に、驚異的なサブミクロン解像度で複雑な白金金属3D微細構造を印刷することに成功しました。今年、NeptunLab チームは、同様のタングステン金属構造と、1 マイクロメートルの解像度を備えた埋め込み型マイクロ流体チップを前例のない速度で製造することに成功しました。 3 つの論文では、主任科学者 Manuel Luitz 氏が UpNano GmbH の NanoOne 2PP 3D プリンターを使用しました。一方、NeptunLabは、Luitz氏をUpNanoに採用することに成功した後も、2PP技術の開発を継続する予定です。
△ UpNano アプリケーションおよび材料開発チームのシニアメンバー、Manuel Luitz 氏。
高解像度の 2PP 3D 印刷の普及を阻む主な 2 つの制約は、印刷速度と、必要な光重合のための材料の入手可能性です。現在、マヌエル・ルイツ氏は、フライブルク大学のプロセス技術研究所 (NeptunLab) で数年間研究を重ね、これらの制限を大幅に軽減しました。この研究の結果は 3 つの論文として連続して発表されており、最新の論文は「2 光子リソグラフィーを使用したシングルミクロン解像度の埋め込み型マイクロ流体チップの製造」と題され、Advanced Materials Technology 誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.202300667
△ NanoOne 2PP 3D プリンターを使用したシングルミクロンの埋め込み型マイクロ流体チップ。
チップチャネルクリーニング<br /> この最新の進歩において、ルイツ氏とその同僚は、NanoOne プリンターを使用して 1 マイクロメートルの埋め込み型マイクロ流体チップを開発するためのプロトコルを定義しました。研究チームは、プリンターの機能を利用して、外部インターフェースを介して圧力駆動ポンプに接続できるチップを印刷することができました。マヌエル・ルイツ氏は次のように語っています。「これはマイクロ流体チップ製造における画期的な進歩です。マイクロ流体チップの高解像度 3D 印刷における主な障害の 1 つは、チャネルに埋め込まれた未硬化材料の洗浄です。これにより、チャネル長が最大 20 cm の曲がりくねったチップ、液滴生成チップ、および 30 μm のポスト直径と 4 μm のポスト間隔による決定論的な横方向変位に基づく細胞選別チップを製造できるようになります。したがって、NanoOne を使用すると、センチメートルの寸法とマイクロメートルの解像度を持つマイクロ流体チップを 12 時間未満という妥当な時間枠で印刷できます。」
△ NanoOne 2PP 3Dプリンターを用いてタングステン（炭化物）製の微細構造を初めて作製しました。マヌエル・ルイツらが印刷したポリマー構造（左）、洗浄後の構造（中央）、タングステンカーバイド構造（右）
タングステン金属<br /> これに先立ち、Luitz 氏は 2PP 3D プリントに使用できる材料の範囲を拡大したかったため NanoOne プリンターを選択し、この高解像度の積層製造プロセスを使用してタングステンとタングステンカーバイドの構造をプリントしようとしました。これは決して簡単な作業ではありません。両方の材料は、硬度（モース硬度 9.0）と耐熱性（融点 > 3,400 ℃）が非常に高いことで知られており、加工が困難だからです。しかし、タングステンとその炭化物で作られた高解像度の物体は、エミッターチップ、プローブ、マイクロツール、メタマテリアル、触媒などの用途で高い需要があります。
「NanoOne プリンターを使用することで、タングステンイオンを含む有機無機フォトレジンをベースにした製造プロセスを設計することができました」とマヌエルルイツ氏は語ります。「その後、ポリマー部品を熱で脱結合して縮小し、タングステン部品の最終解像度は 2 μm、タングステンカーバイド部品の解像度は 7 μm になりました。」
△ NanoOne 2PP 3D プリンターを使用して製造された新しいプラチナ微細構造：プラチナウッドパイル構造 (左) と拡大画像 (中央)、および自立型プラチナナノピラー (右)。
プラチナ金属
ルイツ氏がマイクロシステム技術研究所（IMTEK）のネプチューンラボでタングステンの2PP 3Dプリントに成功したのは偶然ではありません。チームは以前にもプラチナで同様の結果を達成していました。彼らは、300nmの解像度で、自立型ナノピラーや複雑な3Dプラチナ微細構造を生成することができました。このような小さな構造は、プラチナの大きな表面積と物理化学的特性が非常に望まれるメタマテリアルや触媒など、さまざまな工学用途に役立つでしょう。
UpNano の COO 兼共同創設者である Denise Hirner 氏は、次のように述べています。「成長を続ける UpNano チームに Manuel 氏を迎えることができ、大変嬉しく思っています。当社のアプリケーションおよび材料開発チームの上級メンバーとして、彼は今後も 2PP 3D 印刷技術の限界を押し広げていくでしょう。」

フライブルク大学は、高精度のタングステン構造とマイクロ流体チップを印刷できる2光子重合3D印刷技術で新たなブレークスルーを達成しました。

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