Nowa technologia sprawia, że mikro-drukarki 3D są bardziej precyzyjne

Profesor Dr. Georg von Freymann (Zdjęcie: TUK/Thomas Koziel)

Widać fotoniczny symulator kwantowy. Rzeczywista struktura znajduje się wewnątrz bloku i jest niewidoczna nawet przy tym powiększeniu. (Zdjęcie: zespół badawczy Freymanna)

Rynek drukarek 3D rośnie: dzięki nim można szybko i łatwo wytwarzać produkty. Jednak nie tylko w widzialnym dla nas świecie są one wykorzystywane, ale także w nano- i mikroświecie. Umożliwiają to specjalne mikro-drukarki 3D. Tę technikę zajmują się fizycy na Politechnice Kaiserslautern (TUK). Rozszerzyli oni funkcje systemu laserowego, który tu jest stosowany, tak aby mogli wytwarzać znacznie bardziej skomplikowane struktury. Technika ta pomaga na przykład w produkcji nowych mikrostruktur na powierzchniach elementów, aby zmniejszyć tarcie, a także w lepszym badaniu podstaw fizyki kwantowej.

Produkty drukarskie, nad którymi pracują fizycy pod kierownictwem profesora dr. Georga von Freymanna na kampusie Kaiserslautern, są tak małe, że nie są widoczne gołym okiem, najwyżej jako ziarenka kukurydzy. Są mniejsze od średnicy włosa, a najmniejsze szczegóły strukturalne mieszczą się w zakresie około 100 nanometrów. Dopiero skaningowe mikroskopy elektronowe czynią je i ich delikatne kształty widocznymi.

Mikro-drukarki 3D są na rynku od kilku lat. W ich przypadku stosuje się metody litograficzne, które działają podobnie do naświetlania w starszych filmach fotograficznych. „Laser naświetla tutaj lepką ciecz z tworzywa sztucznego”, wyjaśnia Georg von Freymann z Katedry Technologii Opticznych i Fotonicznych. „Intensywność lasera jest tak wysoka, że dochodzi do lokalnej reakcji chemicznej i utwardzenia tworzywa.” Przy tym komputerowy program określa pożądaną formę 3D. Po utwardzeniu naświetlonej części, resztę cieczy można usunąć.

Fizycy z Kaiserslautern od dawna pracują z tą techniką i ją rozwijają: rozszerzyli funkcjonalność drukarek. „Możemy kontrolować amplitudę, fazę i polaryzację wiązki laserowej”, mówi profesor. Dzięki temu badacze mogą wytwarzać znacznie bardziej skomplikowane struktury za pomocą tej metody druku.

Technika ta jest wykorzystywana w różnych dziedzinach. W ramach specjalnych badań 926 „Powierzchnie elementów: morfologia na skali mikro” fizycy współpracują na przykład z kolegami z Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Technologii Procesów. Opracowują nowatorskie mikrostruktury na powierzchni elementów. „W ten sposób można na przykład zmniejszyć tarcie i zużycie”, mówi profesor. Takie metody są również interesujące do kontrolowania gromadzenia się komórek. „W wielu obszarach mikroorganizmy osiedlają się w formie biofilmów”, podaje von Freymann jako przykład. Może to mieć miejsce w szpitalach, ale także w zakładach produkcyjnych przemysłu. „Dzięki specjalnie strukturalnym powierzchniom można temu zapobiec. Z drugiej strony, można też celowo osadzić komórki”, na przykład w badaniach, aby lepiej rozwijały się kultury komórkowe.

Technologia laserowego druku ma również znaczenie dla badań podstawowych, na przykład do dokładnego badania zjawisk fizyki kwantowej. „Możemy na jej podstawie tworzyć modele, w których między innymi przesuwamy pozycje pojedynczych atomów. To nie jest tak łatwe w rzeczywistych ciałach stałych”, mówi von Freymann. „Możemy badać, co dzieje się na poziomie kwantowym.”

Von Freymann jest także zaangażowany w firmę Nanoscribe, założoną w 2007 roku, która produkuje takie mikro-drukarki 3D. Niedawno firma ta wspólnie z Instytutem Nanotechnologii na Karlsruher Institut für Technologie otrzymała Nagrodę za Transfer Technologii Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego.