Tlač pod názvom 3D sa postupne stáva rozšírenou a relatívne dostupnou. Nájsť ju možno už aj v bežnej domácnosti, kde si môžete vytlačiť stratenú koncovku na vysávač či hračku pre dieťa, alebo na vesmírnej stanici: je praktické pri odlete rakety naložiť len materiál na tlač a všetko potrebné zhotoviť priamo na stanici. Niektoré 3D tlačiarne tlačia celé budovy z betónu, iné zasa tlačia z kovu zbrane. Ako je to s trojrozmernou tlačou skutočných miniatúr?
Hovoríme o polymérnej tlači s rozlíšením menším ako jedna stotina hrúbky ľudského vlasu, čo je približne 500 nanometrov. S nanolitografiou sa stretáva väčšina z nás každý deň a nemusí si to ani všimnúť. Stačí vziať do ruky smartfón, v ktorom sú desiatky logických obvodov a iných súčiastok vytvorených fotolitografiou, ktorá dokáže vytvárať objekty s rozmermi len niekoľko desiatok nanometrov. Pri takejto technike sa cez fotomasku nasvetľuje vzor na svetlocitlivý povrch, ktorý je leptaný alebo inak tvarovaný do podoby elektronických obvodov. Táto technológia je však planárna, teda dvojrozmerná. V dôsledku zložitosti a rozmanitosti elektronických obvodov nám planárne techniky o niekoľko rokov už nemusia stačiť. To viedlo k intenzívnemu úsiliu vyvinúť trojrozmernú nanolitografiu.
Nelineárne optické javy
Princíp činnosti 3D polymérnej nanolitografie je založený na nelineárnych optických javoch. Materiál, ktorý sa používa na tlač, je tekutá polymérna živica, citlivá na ultrafialové a modré svetlo. Tieto druhy svetla majú vyššiu energiu ako ostatné farby z viditeľného alebo infračerveného spektra. To znamená, že ak vystavíme túto živicu zdrojom žiarenia s vysokou energiou, tuhne do pevného polymérneho celku. Je potrebné pracovať s ňou v tmavej komore pri červenom osvetlení, ktorého energia nedokáže spojiť polymérne reťazce v živici.
Pri iných typoch litografií sa používajú vysokoenergetické ultrafialové lasery (pri fotolitografii sa napríklad používa ultrafialový excimerový laser s vlnovou dĺžkou 10 nm). Pre 3D litografiu to nie je vhodný zdroj svetla, pretože by spájal molekuly v celom osvetlenom objeme. Treba preto použiť zdroj svetla s takou vlnovou dĺžkou, ktorá prechádza polymérnou živicou bez zmeny jej štruktúry. Riešením je infračervený laser s vlnovou dĺžkou 780 nm s dĺžkou trvania impulzu v ráde femtosekúnd. Femtosekundové lasery sa vyznačujú veľmi vysokou energiou generovanou v jednom impulze, čo umožňuje generovanie nelineárnych javov. Takýto jav môže byť v polymérnej živici vybudený pomocou veľmi vysokej hustoty energie, koncentrovanej do malého bodu – voxelu (častica objemu v pravidelnej mriežke trojrozmerného priestoru, ktorej názov je zložený z anglického slova volumetric – objemový a pixel).
Výskum aj aplikácie
Na koncentráciu energie z lasera slúži imerzný objektív s veľkou numerickou apertúrou, ktorý je ponorený do živice. Čím väčšia bude numerická apertúra objektívu, tým bude voxel menší a energia z lasera koncentrovanejšia. Zjednodušene, vo voxeli bude hustota energie taká vysoká, že molekuly živice vyskočia o dve energetické hladiny vyššie a stuhnú do pevného celku. Tento jav sa nazýva dvojfotónová polymerizácia.
Princíp tlače touto technikou je veľmi elegantný. Svetlo z infračerveného lasera prechádza cez celý objem svetlocitlivej živice bez toho, aby zmenilo jej štruktúru, okrem miesta v ohnisku objektívu, kde dochádza k dvojfotónovej polymerizácii a k vytvoreniu tuhého voxelu. Ak tento princíp spojíme s polohovacím zariadením, ktoré sa môže pohybovať v troch osiach, môžeme vrstvu po vrstve tlačiť ľubovoľné polymérne štruktúry s veľkosťou niekoľko stoviek nanometrov.
Nanolitografia v takejto podobe je veľmi silný nástroj. Pri vývoji môže priamo pretvárať myšlienky do skutočnej podoby, pretože nie je potrebná žiadna iná technológia ako napríklad príprava fotomasky pri fotolitografii. Stačí iba nápad a kvapka tekutej živice. Svedčí o tom aj počet vedeckých článkov spojených s 3D nanolitografiou. Kým v roku 2004 to boli tri články, v roku 2010 asi desať článkov, tak v roku 2020 bolo vedeckých publikácií používajúcich túto techniku takmer dvesto. A záber má naozaj široký. Jej aplikácie nájdeme v integrovanej optike, biológii, chémii, medicíne, materiálových vedách, v mikrofluidných aplikáciách, mikromechanike a mikrooptike.
Nanolab na vlákne
Na Žilinskej univerzite túto technológiu používame prevažne na rôzne optické aplikácie, keďže vytvrdnutý polymér má preukázateľne dobré svetlovodivé vlastnosti. Pomocou tejto technológie sme vytvorili rezonátory, v ktorých svetlo interferuje, vlnovody s rôznymi optickými filtrami, dielektrické zrkadlá a iné prvky s veľkosťou len zopár desiatok mikrometrov integrovateľné na čip či prírodou inšpirované fotonické kryštály s periódou len pár stoviek nanometrov. Z biomedicínskych aplikácií sme spolupracovali na výrobe mikrofluidného čipu, ktorý by pomáhal separovať rakovinové bunky a vytvorili sme aj rôzne mikrofluidné kanály, kde by sa tieto bunky mohli ďalej vyšetrovať.
Posledné roky sa v rámci niekoľkých vedeckých tímov z celého sveta venujeme téme vytvárania laboratórií na vlákne. Ide o technológiu, pri ktorej sa integruje polymérny snímací prvok s koncom optického vlákna: polymérny snímací prvok je pripojený či priamo vytlačený na konci vlákna. Najprv boli pripravené jednoduché dutinky založené na Fabryho-Perótovom rezonátore alebo Braggovom reflektore, ktoré boli schopné pomocou odrazeného optického signálu merať environmentálne podmienky, ako sú teplota, tlak, koncentrácia určitých pár v ovzduší alebo index lomu kvapalín. Postupom času vznikali omnoho zložitejšie štruktúry, do ktorých boli integrované aj flexibilné mechanické prvky, napríklad tenké polymérne membrány.
Svetlé zajtrajšky
Spojením optického a mechanického princípu vznikol úplne nový druh snímačov. Vďaka tomuto spojeniu bolo možné vytvoriť koncept optického mikrofónu alebo snímača na meranie magnetického poľa. Mikrofón na konci optického vlákna s rozmermi desatiny milimetra môže byť natiahnutý na vzdialenosť niekoľko stoviek metrov. Pomocou takéhoto zariadenia je možné počúvať, či je všetko v poriadku napríklad vo veterných turbínach, v podzemných tuneloch alebo na iných neprístupných miestach. Keďže takéto zariadenie je odolné proti elektrickému rušeniu a presluchom, môže byť umiestnené aj pri silových spojoch vysielačov alebo zariadeniach produkujúcich veľké elektromagnetické rušenie. Polymérny prvok tvoriaci laboratórium na vlákne môže byť veľmi ľahko modifikovateľný. Niekoľko úprav stačí na to, aby sa z mikrofónu stal vibrometer alebo magnetická sonda, prípadne kombinácia viacerých funkcií potrebných pre požadovanú aplikáciu. Fantázii sa medze nekladú a môžu vznikať netradičné zariadenia ako vibrotermometre, magnetorefraktometre a podobne.
3D nanolitografia je živá téma. Vzniká v nej mnoho skvelých nápadov ako miniaturizovať a spájať už existujúce zariadenia a integrovať ich napríklad na konci optického vlákna, ktorého technológia má oproti klasickej elektronike mnoho výhod. Svetlá budúcnosť ju čaká určite aj v medicínskych a biomedicínskych vedách, kde bude možné vytvárať nástroje na prácu s bunkami a molekulami. Dokonca sú isté náznaky toho, že touto technikou z viacerých materiálov by bolo možné tlačiť celé mikrozariadenia, či už v technike alebo na stimuláciu životne dôležitých orgánov v našom tele. To už je však skutočne hudba budúcnosti.
Ing. Matej Goraus, PhD.
Katedra fyziky
Fakulta elektrotechniky a informačných technológií
Žilinská univerzita v Žiline
Výskumná práca v oblasti nanolitografie bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-19-0602.
