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May 18, 2023

高度な高分子「インク」を使用して 3D プリントされた微細彫刻

Quando pensi alla stampa 3D, pensi ai getti degli ugelli caldi.

3D プリンティングのことを考えるとき、私たちの心はよく、溶けたプラスチックを噴射する熱いノズルのことを思い浮かべます。 その他の一般的な技術には、樹脂に明るい光を照射したり、レーザーを使用して金属粉末を融合したりする方法などがあります。 これらの技術はすべて、デスクトップ スケールで複雑な形状の部品を製造するのに優れています。

ただし、完全に微細なスケールで 3D プリントすることも可能です。 ドイツの研究者らは、これまで以上に微細な制御で微細な 3D 彫刻を作成するために使用できる高度な高分子「インク」を開発しました。

3D プリンティングの最先端で、ハイデルベルク大学のエヴァ ブラスコ氏のチームは、綿密に設計された分子配列を備えた 3D プリンティング構造の作成に成功しました。 この技術は、自然界のポリマーに見られる精度を反映しており、DNA が厳密な組成の特定のアミノ酸を正確にコード化できる方法と似ています。

研究者らはまず、印刷製品の基本特性を前例のない制御することを目的として、インクの分子配列を細心の注意を払って設計しました。 簡単に言うと、ブラスコと彼女のチームは分子をカスタム配列に配置して、厳密な特性を備えた独自の構造を作成することに取り組みました。

ブラスコ氏のチームは、配列の変更が印刷構造の特性にどのような影響を与えるかを観察するために、それぞれ 8 つの分子単位を独自に並べた一連のインクを作成しました。 これらは、科学文献では配列定義ポリマーまたは高分子定義ポリマーと呼ばれます。 正確な所望の構造を持つ分子を生成するには、多くの場合、複雑な化学合成が必要です。 研究者が分子レベルでの操作を習得できれば、これらの精密に構築された分子は、データストレージ、暗号化、製薬用途などの分野で幅広い応用が可能になる可能性があります。

ブラスコ氏の研究の場合、目的は、配列が定義されたさまざまな高分子がさまざまな特性を持つ材料を作成できるかどうかを判断することでした。 目標は、2 光子レーザー プリンティング (2PLP) と呼ばれる 3D プリンティングのようなプロセスに適した分子を正確に設計することでした。 現在、マイクロ流体工学やマイクロ光学を扱うためのツールとして人気があり、顕微鏡レベルで小さな構造を作成するために使用できます。 集束レーザー光を使用して材料を正確なスポットで何度も重合させ、3D 構造を構築します。 現状では、この用途に現在入手可能な市販の材料は、組成が不正確であると考えられています。 したがって、目標は、この重合プロセス用に分子的に正確なインクを作成することでした。

研究チームは、(B) 非機能性ユニットと光架橋性(C) ユニットを使用して、3 つの異なる高分子配列を作成しました。 使用した配列は、交互 (BCBCBCBC)、トリブロック (CCBBBBCC)、およびブロック (BBBBCCCC) でした。 分子レベルでの構造が異なるため、順序の変更はインクの印刷適性に直接影響を与えました。

インクを使用してさまざまな微細構造を印刷し、機械的および化学的特性を評価しました。 これは、それぞれナノインデンテーション試験とラマン分光法で達成されました。 合成とレーザー印刷プロセスの制御の両方にある程度の技術が必要でしたが、チームは新しいインクを使用してさまざまな構造を作成することができました。

特に、結果は、テストした 3 つの構造の中で交互構造が最も優れた印刷適性を持っていることを示しました。 ブロック構造はヤング率が最も低く、トリブロックよりも優れており、交互配列が最も高い結果を示し、したがって最大の剛性を示しました。 一方、化学分析では、ブロック構造は安定した構造を生成するために最大のレーザー出力を必要とする一方、交互バージョンではより低いレーザー出力とより低い架橋度で安定したプリントを生成することが示されました。

上記の初期テストは、2PLP 法で印刷された単純なバッキーボール構造に対して実行されました。 ただし、インクの性能をよりよく示すために、研究チームは、通常の 3D プリンタの性能を全体的に把握するために Benchy ベンチマーク モデルを使用する方法と同様の、より複雑な構造も 3D プリントしました。 研究者らは、交互構造インクを使用してオオハシのモデルを印刷し、鳥のくちばしにある 10 μm の大きなオーバーハングを誇示しました。 トリブロック インクを使用してコアラを印刷すると、毛並みが細かく表現され、カンガルーのモデルもブロック インクで印刷され、オーバーハングと細かいディテールがうまく表現されました。

この研究の価値は、実行可能なシーケンス定義インクが 2PLP マイクロプリンティング プロセス用に生成できることを示したことです。 結局のところ、マイクロメートル スケールでフィーチャを作成する場合、インクをできるだけ細かいレベルで制御したいと考えるのは当然のことです。 この技術は単純な微細彫刻の製作で実証されましたが、これらの技術はさまざまな小さな製作作業に不可欠であることが判明する可能性があります。 小型の光学部品、マイクロ流体ツール、またはマイクロロボット工学の製造を検討している場合でも、分子レベルで材料特性を究極的に制御することが重要です。