Новые достижения в микроскопической 3D-печати

Одна из исследовательских групп представила новый метод микромасштабной 3D-печати, который позволяет создавать частицы различных форм для применения в медицине, промышленности, научных исследованиях и других областях. Скорость производства таких частиц достигает одного миллиона единиц в день.

Частицы, напечатанные с помощью 3D-принтера, настолько малы, что их сложно заметить невооружённым глазом, и они могут быть использованы в таких сферах, как доставка лекарств, производство микроэлектроники, микрофлюидики и абразивов для сложных технологических процессов. Однако создание таких частиц в больших объёмах было затруднено из-за необходимости точного согласования работы света, движения столика и свойств материалов. Исследователи разработали более эффективную технологию, которая позволяет печатать до миллиона высококачественных и настраиваемых частиц ежедневно.

Теперь возможно создавать гораздо более сложные формы на микроскопическом уровне с ранее недостижимыми скоростями и используя широкий спектр материалов.

Эти разработки основаны на технологии печати, известной как непрерывное производство жидкостного интерфейса (CLIP). Учёные считают, что с увеличением масштаба этот процесс откроет новые возможности для различных отраслей.

Конвейер для частиц

Предложенный процесс массового производства частиц уникальной формы, имеет сходство с принципом работы сборочного конвейера. Всё начинается с натяжки пленки, которая затем помещается в принтер CLIP. На неё одновременно печатаются сотни частиц, после чего конвейер продолжает движение, проходя этапы промывки, закрепления и удаления форм. Эти этапы могут быть настроены в зависимости от формы и материала. В конце пустая пленка снова сворачивается, что и даёт название технологии «roll-to-roll CLIP» или r2rCLIP. До появления этого метода производство частиц требовало много ручной работы, что значительно замедляло процесс. Автоматизация r2rCLIP позволяет достичь ранее немыслимой производительности — до 1 миллиона частиц в день.

В 3D-печати всегда существует компромисс между разрешением и скоростью. Например, некоторые процессы 3D-печати могут создавать объекты с размером в нанометры, но они значительно медленнее. В то время как макроскопическая 3D-печать уже используется в массовом производстве для создания обуви, товаров для дома, деталей машин и медицинских изделий, данный метод открывает новые возможности между этими масштабами.

Этот подход позволяет добиться высокой детализации, сохраняя при этом необходимую скорость производства для создания частиц, которые могут быть использованы в различных областях. Такие методы, обладая потенциалом, могут быть адаптированы из лабораторного масштаба на уровень промышленного производства.

Гибкость материалов

Исследователи надеются, что метод r2rCLIP станет широко доступным и будет использован в научных и производственных целях. 3D-печать как технология развивается быстрыми темпами, что позволяет концентрироваться на инновационных возможностях, а не только на вопросах самого процесса.

Какие же области могут наиболее выиграть от применения этой технологии? Уже проводятся эксперименты с созданием как твёрдых, так и мягких частиц из керамических материалов и гидрогелей. Первые могут быть использованы в микроэлектронике, а вторые – в медицине. Это только начало, и спектр возможных применений остаётся огромным.

Наночастицы для новых материалов

Другие исследования микро печати ведутся в области печати наночастиц, это может привести к разработке новых материалов, которые способны изменять свою форму.

Учёные напечатали на 3D-принтере десятки тысяч наночастиц, которые, как предсказывали учёные, могут привести к созданию новых материалов с уникальными свойствами, например, материалов, которые могут изменять свою форму мгновенно.

В мире наноматериалов форма играет ключевую роль. Геометрия частиц определяет физические характеристики получаемого материала. К примеру, кристалл, сформированный из наночастиц в виде шариков, будет отличаться от кристалла, созданного из наночастиц в виде кубиков, и эти материалы будут иметь совершенно разные физические свойства. В одном из исследований учёные использовали 3D-нанопечать для создания архимедовых усечённых тетраэдров, которые считаются одной из самых многообещающих форм для создания новых материалов.

Исследователи напечатали десятки тысяч этих сложных наночастиц, добавили их в раствор и наблюдали, как они самоорганизуются в различные кристаллические структуры. Что ещё более важно, эти материалы могут переключаться между различными состояниями за считанные минуты, если изменить их геометрическую форму.

Способность материала изменять свою форму, называемая фазовым переходом, подобна процессу, при котором атомы в железе перестраиваются и превращают его в закалённую сталь.

Фазовые сдвиги и их потенциал

Архимедовы усечённые тетраэдры (АТТ) давно считались одной из самых перспективных геометрий для создания материалов, способных легко менять фазу, но до недавнего времени их было трудно производить. С помощью 3D-нанопечати можно точно контролировать форму таких частиц.

АТТ могут образовывать как шестиугольные узоры, в которых тетраэдры лежат плоско, так и квазиалмазные структуры, которые считаются желанными для применения в фотонике. Эти структуры могут быть использованы для разработки новых технологий.

Самое важное, что при правильном проектировании будущие материалы, состоящие из таких частиц, могут быть легко перенастроены, переходя между различными фазами с помощью магнитных полей, электрического тока, тепла или других методов.

Представьте себе покрытия для солнечных панелей, которые меняют свою структуру в зависимости от времени суток для повышения энергоэффективности, или новые гидрофобные покрытия для авиапромышленности, которые предотвращают обледенение и запотевание. Перечень возможных применений таких технологий велик и продолжает расширяться.