Комбиновани приступ нанопроизводњи је омогућио истраживачима да конструишу разрађене 3Д архитектуре од скоро сваког материјала у малој мери. Нова техника комбинује конвенционалну двофотонску полимеризацију (2ПП) наноштампу са ласерски вођеним оптофлуидним склопом, црпећи из предности сваке методе да би се створио свестран и мултимедијални механизам за производњу.
Наноструктуре често показују различита својства у поређењу са њиховим масовним аналогама јер интеракције површине и интерфејса доминирају хемијом материјала. Ова необична понашања су нашла широку примену, не само у наноинжењерингу, већ и у различитим пољима попут медицине, роботике и катализе. Међутим, ограничења око избора одговарајућих материјала и флексибилности обликовања и геометрије остају кључна уска грла у дизајну сложенијих и свестранијих наноуређаја. Двофотонска полимеризација је прецизна техника 3Д штампања високе резолуције, али је генерално ограничена на изузетно специјализоване полимере. Супротно томе, само- или усмерено састављање ради са ширим спектром подлога, али се бори са слободним обликовањем и високим приносом.
Али, разбијањем процеса производње у два узастопна корака, Мингцхао Зханг и његов међународни тим су сада комбиновали снаге сваког од ових приступа. Тим је прво дизајнирао облик потребне нанојединице, штампајући прецизно обликовани шупљи 3Д шаблон користећи 2ПП. Овај калуп је затим потопљен у суспензију наночестица – укључујући металне оксиде, угљеничне наноматеријале и квантне тачке – и тим фокусира фемтосекундни ласер отварањем шаблона да покрене склапање. Ласерски пулс ствара локализовани топлотни градијент који узрокује да наночестице теку у калуп где се слажу у облик дизајниран у кораку 2ПП. Спољно кућиште се затим уклања у кораку накнадне обраде, остављајући самостојећу 3Д структуру у изабраном материјалу.
„Ово раздваја геометрију од хемије“, објашњава Зханг, који ради на Националном универзитету у Сингапуру. „Наш метод је широко компатибилан јер се не ослањамо на специфичну фотохемију да бисмо формирали коначну структуру. Уместо тога, ласер ствара транспортно и затворено паковање, тако да је главни захтев да материјал може постојати као стабилна дисперзија честица.’
Ова интегрисана методологија чак омогућава секвенцијалну производњу од више материјала, отварајући врата дизајну сложенијих, мултифункционалних уређаја. „Једном када је један материјал густо упакован унутар свог шаблонског региона, постаје механички и енергетски стабилан“, каже Зханг. „Након тога, можемо испрати вишак честица, пребацити се на другу суспензију честица и саставити следећи материјал на другој локацији или сегменту, без поновног мешања ранијих честица.“
Да би демонстрирао потенцијал овог новог приступа, тим је произвео серију микроуређаја од мешовитих материјала, укључујући вентиле који могу да одвоје наночестице различитих величина, и микророботе на светлост који би могли да имају примену у сензорима и бионици.
Свестраност овог комбинованог приступа импресионирала је друге истраживаче у овој области. „У поређењу са другим концептима где су потребне смоле по мери, овај рад откључава другачију димензију за 3Д штампање која представља сопствени пут за разноврсну производњу од више материјала“, каже Јонатхан Фаноптички инжењер са Универзитета Станфорд. „Склапање нанопорозних материјала, посебно, има шири потенцијал у уређајима и системима заснованим на мембрани.“
„Теорија је заиста импресивна. Аутори су елегантно анализирали кључне покретачке силе за склапање честица и пружили веома лепе експерименталне доказе који подржавају теорију“, каже Ксиаокинг Ксианаучник за нанофабрикацију у Националној лабораторији Лоренс Ливермор. „Уређаји за доказ концепта су занимљиви и инспиративни за читаоце да размишљају. Мислим да ће следећи корак бити проналажење праве примене за овај метод.’
Зханг и колеге су већ истражили како реакциони параметри као што су избор растварача и сурфактанта утичу на брзину и стабилност производње и настављају да раде на теорији која је у основи ове методе. „Желим да успоставим правила предиктивног дизајна која повезују избор растварача, интеракције честица, услове протока и геометрију шаблона, тако да процес постаје програмибилан, а не емпиријски“, каже он.
