Una tecnica di fabbricazione 3D semplice ed efficiente per strutture gerarchiche di ispirazione bio

16 schiuma poliuretanica windows (Luglio 2019).

Anonim

La natura è senza dubbio il miglior ingegnere biologico del mondo, i cui disegni semplici, raffinati ma potenti hanno ispirato scienziati e ingegneri per affrontare le sfide delle tecnologie per secoli. Gli scienziati hanno recentemente imitato la struttura superficiale dell'occhio di una falena, una struttura unica con proprietà antiriflesso, per sviluppare un materiale di grafene altamente assorbente la luce. Questo è un passo avanti nella tecnologia delle celle solari. Foglie di riso e ali di farfalla hanno anche caratteristiche superficiali autopulenti uniche, che ispirano gli scienziati a sviluppare nuovi materiali resistenti al biofouling. Le strutture multi-scala periodiche bio-ispirate, chiamate strutture gerarchiche, hanno recentemente catturato un'ampia attenzione tra gli scienziati in varie applicazioni come celle solari, diodi a emissione luminosa (LED), biomateriali e superfici anti-batteriche.

Sebbene esistano già un certo numero di tecniche per fabbricare strutture gerarchiche ispirate alla bio-ispirazione, la maggior parte dei metodi convenzionali comporta processi complicati o richiede molto tempo e una bassa efficienza in termini di costi per le applicazioni industriali. Ora, un team di ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia di Changchun, in Cina, ha sviluppato un nuovo metodo per la fabbricazione rapida e senza maschera di strutture gerarchiche di ispirazione biologica, utilizzando una tecnica chiamata litografia di interferenza laser.

Nello specifico, i ricercatori usano il modello di interferenza dei laser a tre e quattro raggi per fabbricare strutture superficiali multi-scala ordinate su substrati di silicio, con lo schema delle strutture gerarchiche controllabili regolando i parametri della luce incidente. In accordo con l'analisi teorica e computerizzata, i ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente il potenziale della nuova tecnica nella fabbricazione 3D di micro e nanostrutture su grandi superfici, a basso costo e ad alto volume. Questa settimana sulla rivista Applied Optics, di The Optical Society (OSA), i ricercatori descrivono il lavoro.

"Abbiamo presentato un metodo flessibile e diretto per la fabbricazione di strutture 3D multiscala ordinate utilizzando la litografia a tre e quattro raggi di interferenza", ha affermato Zuobin Wang, l'autore principale e professore del Centro internazionale di ricerca per la manipolazione e produzione nana della Cina presso il Università di Scienza e Tecnologia di Changchun, Cina. "Rispetto ad altre tecnologie di patterning, il nostro metodo è semplice ed efficiente in termini di ottenere strutture gerarchiche ispirate alla bio-ispirazione".

Wang ha menzionato che per certe complicate strutture superficiali, le tecniche convenzionali come la litografia a fascio di elettroni possono richiedere diverse ore o un giorno per fabbricare il modello, mentre l'approccio dell'interferenza laser richiede solo alcuni minuti per generare la struttura, il che rende la tecnica adatta per volume produzione industriale.

"La litografia con interferenza laser è una tecnica di modellazione senza maschera che utilizza i pattern di interferenza generati da due o più raggi laser coerenti per fabbricare modelli periodici micro e nanometrici su ampie aree", ha detto Wang. Diversamente dalle convenzionali tecniche di modellazione come la litografia a fascio di elettroni, la tecnica di interferenza laser consente di fabbricare l'intera superficie del substrato con una singola esposizione o litografia a un passo.

Ad esempio, nell'esperimento di Wang, la struttura multiscala monodimensionale, ovvero la disposizione orientata in una dimensione con le scanalature sinusoidali coperte da strutture lineari periodiche è stata fabbricata esponendo il substrato di silicio a tre o quattro fasci interferiti per uno tempo. Il motivo superficiale risultante, benché disposto in una direzione, ha una struttura spaziale tridimensionale. Per ottenere strutture più complicate come strutture multiscala orientate bidimensionali, i ricercatori hanno semplicemente ruotato il substrato di 90 gradi nel piano e applicato la seconda esposizione laser alla superficie.

"La litografia con interferenze laser è in grado di fabbricare modelli strutturati omogenei di micro e nanometri su aree di oltre un metro quadrato, che è impossibile o molto dispendioso in termini di tempo o di costi per le tecniche convenzionali", ha affermato Wang. Queste caratteristiche rendono la litografia dell'interferenza laser superiore rispetto ad altre tecniche in termini di efficienza e produzione di volumi elevati.

Secondo Wang, il loro processo sperimentale è semplice: un raggio laser ad alta potenza è stato diviso in tre o quattro fasci uguali, che poi sono stati diretti da specchi per generare schemi di interferenza per fabbricare le strutture superficiali. I parametri del laser come l'angolo di incidenza e l'angolo azimutale di ciascun fascio sono stati regolati da separatori di fascio e posizioni speculari. Per selezionare la modalità di polarizzazione e controllare l'energia dei raggi laser sono stati utilizzati altri dispositivi ottici come piastre a quarto d'onda e polarizzatori.

"I parametri del raggio laser sono selezionati in base alla struttura superficiale desiderata e alla corrispondente distribuzione di energia di interferenza calcolata dalla simulazione teorica.In altre parole, le forme o i modelli di strutture gerarchiche nel nostro metodo sono controllabili regolando i parametri di ciascun raggio incidente" Wang notato.

Secondo Wang, la tecnica proposta potrebbe essere utilizzata per fabbricare dispositivi ottici o medici come celle solari, rivestimenti antiriflesso, superfici autopulenti e antibatteriche e articolazioni dell'anca artificiali di lunga durata.

Il prossimo passo dei ricercatori è lo sviluppo di strutture superficiali funzionali con bagnabilità, adesione e riflettività controllabili per applicazioni ottiche, mediche e meccaniche.

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