Nature サブジャーナル: メルボルン大学とカリフォルニア大学 (米国)、表面トリガー 3D ナノプリンティング技術!

この投稿はCoco Bearによって2022-4-19 14:54に最後に編集されました。

はじめに: マクロスケールでの付加製造は大きな進歩を遂げていますが、ナノスケールポリマーの 3D 印刷など、マイクロスケールではまだ大きなギャップが残っています。これは主に、ナノメートルレベルの精度に必要な材料や設備の提供が難しいことに起因しています。成功する堅牢な 3D ナノプリンティングプラットフォームでは、材料の堆積高さの制御、印刷層を安定させるための中間ステップを最小限またはまったく行わない連続印刷プロセス、印刷ステップ間での特徴の損失のないこと、溶媒損失による収縮を軽減または排除して多層機能の作成を可能にする溶媒フリー材料の堆積など、いくつかの重要な設計パラメータに対処する必要があります。上記の問題を解決するのは簡単なことではありませんが、研究者たちはたゆまぬ努力によりこの点で進歩を遂げてきました。

2022年4月、南極熊は、オーストラリアのメルボルン大学と米国カリフォルニア大学の研究者らが、ネイチャーコミュニケーションズ誌に3Dナノプリンティングの実現に関する論文「空間的に制御された組み立てと重合による3Dナノプリンティング」を発表したことを知りました。研究者らは、高速表面開始剤と多機能架橋剤を使用して、マイクロ流体工学と原子間力顕微鏡を組み合わせて架橋ポリマーを作成し、 3Dナノプリンティングを実現する3Dナノプリンティング技術を設計しました。彼らの具体的な研究を見てみましょう。

表面開始型 3D ナノプリンティング<br /> ポリマーの特徴を連続的に作成できるナノスケールの 3D 印刷プラットフォームを開発するために、研究者らはポリマーの連続アセンブリ (CAP) を使用して安定した構造を形成しました。マクロ架橋剤（またはポリマーインク）の事前機能化表面への送達を空間的に制御するために、研究者らは統合型原子間力顕微鏡とマイクロ流体プローブを使用し、プローブと表面の接触（AFM 負荷）、マイクロ流体圧力、印刷速度（または瞬間接触時間）を変化させることで、表面に送達される材料の量を制御しました。このシステムは、1 mm 以内で 5 ナノメートルまでの動作精度で、0.5 aL という小さな送達量を実現できます。（具体的な実験内容については、記事末尾の原文をダウンロードしてください）

△ インクの化学架橋、表面改質とプライミング、反応性インクの基板への送達による 3D プリントパターンの形成など、3D ナノプリンティングの主要な手順の概略図。

パラメータが印刷サイズに与える影響<br /> この研究では、印刷速度と圧力を変えることで、印刷された線の幅と高さを変えることができます。リザーバー圧力が一定であれば、ポリマーの押し出し速度は一定であるため、ラインに沿った印刷速度が低下すると、ラインの高さが増加します。速度を低下させることは、過渡時間を延長することと同じであり、より多くの材料が押し出され、特定の距離にわたって架橋に利用できるようになります。印刷圧力を上げると、1 秒あたりにプローブ穴から押し出される材料の量が増え、線の幅と高さが増します。

△さまざまな印刷パラメータが最終印刷線のサイズに与える影響

3Dナノプリント構造<br /> 研究者らはまた、この技術の実現可能性を検証するために、代表的な三次元構造を独自に設計した。 1.積み重ねられたグリッドを印刷したところ、設計と比較して高い忠実度が得られ、配列間で歪みやぼやけたエッジは見られませんでした。 2.上面に一辺の長さが30ミクロンの正方形を10個連続して印刷します。得られた構造は、壁の高さが 98 ± 12 ナノメートル、幅が 2.3 ± 0.3 マイクロメートルの 3 次元正方形を示し、単一の堆積に比べて精度と柔軟性が向上し、最終構造の変形が少なくなりました。 3. 下の表にまとめられた設計寸法に従って、立方体を積み重ねます。

△原子間力顕微鏡で3Dナノプリントの設計構造を観察

概要<br /> 研究者らは、安定した三次元のマイクロおよびナノ構造を作成するためにポリマー材料を設計し、走査プローブ顕微鏡ベースの技術を使用して、設計された軌道に沿って反応性インク材料を局所的な場所に直接送達しました。急速な SIP 架橋により、転写されたポリマーインクは表面接触時に急速に固化し、3 次元デザインの高忠実度を実現します。この技術により、追加の触媒の適用や処理を必要とせずに連続印刷が可能になり、真の多層連続材料供給が可能になります。一方、印刷パラメータを変更し、AFM ナノ流体プラットフォームをリアルタイムで制御することで、高い空間選択性と忠実度を実現できます。

▪この方法は、一般的な材料の3Dナノプリンティングに普遍的に適用できます。ブロック共重合体、抗菌材料、スターポリマーを含むナノ構造材料など、他のポリマー材料の 3D プリントの実現可能性と精度を調査する作業が進行中です。

さらなる小型化とオーバーハング形状の印刷には、材料の供給速度よりも速い硬化速度が必要です。

▪スマートポリマーエンジニアリングと3次元のボトムアップマイクロ/ナノファブリケーションの組み合わせにより、 3Dナノプリンティングの技術的ギャップが埋められ、刺激応答性光学コーティング、アクチュエータなどのマイクロ流体におけるカスタマイズされたポリマー機能、細胞と材料の相互作用を研究するためのカスタマイズされたポリマー表面など、より多くのアプリケーションに使用できます。

詳細については、元の記事をダウンロードしてください：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29432-z

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