La litografía multifotónica (también conocida como litografía láser directa o escritura láser directa ) de plantillas de polímero se conoce desde hace años [ ¿período de tiempo? ] por la comunidad de cristales fotónicos . De manera similar a las técnicas de fotolitografía estándar , la estructuración se logra iluminando fotorresistentes de tono negativo o positivo a través de la luz de una longitud de onda bien definida. La diferencia fundamental es, sin embargo, evitar las retículas . En cambio, se utiliza la absorción de dos fotones para inducir un cambio drástico en la solubilidad de la capa protectora para los reveladores apropiados.
Por lo tanto, la litografía multifotónica es una técnica para crear pequeñas características en un material fotosensible , sin el uso de sistemas ópticos complejos o fotomáscaras . Este método se basa en un proceso de absorción de fotones múltiples en un material que es transparente a la longitud de onda del láser utilizado para crear el patrón. Al escanear y modular adecuadamente el láser, se produce un cambio químico (generalmente polimerización ) en el punto focal del láser y se puede controlar para crear un patrón tridimensional arbitrario periódico o no periódico. Este método se ha utilizado para la creación rápida de prototipos de estructuras con características finas.
La absorción de dos fotones es de tercer orden con respecto a la susceptibilidad óptica de tercer orden. y un proceso de segundo orden con respecto a la intensidad de la luz . Por esta razón, es un proceso no lineal varios órdenes de magnitud más débil que la absorción lineal, por lo que se requieren intensidades de luz muy altas para aumentar el número de eventos tan raros. Por ejemplo, los rayos láser bien enfocados proporcionan las intensidades necesarias. Aquí, se prefieren las fuentes de láser pulsado ya que entregan pulsos de alta intensidad mientras depositan una energía media relativamente baja. Para permitir la estructuración 3D, la fuente de luz debe adaptarse adecuadamente a la fotorresistencia en el sentido de que la absorción de un solo fotón se suprime en gran medida mientras que se favorece la absorción de dos fotones. Esta condición se cumple si y solo si la resistencia es muy transparente para la longitud de onda de salida de la luz láser λ y, simultáneamente, absorbe en λ / 2. Como resultado, una muestra dada en relación con el rayo láser enfocado se puede escanear mientras se cambia la solubilidad de la resistencia solo en un volumen confinado. La geometría de este último depende principalmente de las superficies de isointensidad del foco. Concretamente, aquellas regiones del rayo láser que superan un umbral de exposición dado del medio fotosensible definen el bloque de construcción básico, el llamado vóxel . Otros parámetros que influyen en la forma real del vóxel son el modo láser y el desajuste del índice de refracción entre la resistencia y el sistema de inmersión que conduce a la aberración esférica.
Se descubrió que los efectos de polarización en la nanolitografía 3D con láser se pueden emplear para ajustar los tamaños de las características (y la relación de aspecto correspondiente) en la estructuración de las fotorresistencias. Esto demuestra que la polarización es un parámetro variable junto a la potencia del láser (intensidad), la velocidad de exploración (duración de la exposición), la dosis acumulada, etc.
Recientemente se demostró que combinando nanolitografía 3D láser ultrarrápida seguida de tratamiento térmico se puede lograr la fabricación aditiva de vitrocerámicas 3D. [2] Además, se pueden emplear bioresinas puras renovables de origen vegetal sin fotosensibilización adicional para el prototipado óptico rápido. [3]
Materiales para polimerización multifotónica
Los materiales empleados en la litografía multifotónica son los que se utilizan normalmente en las técnicas de fotolitografía convencionales. Se pueden encontrar en estado líquido-viscoso, gel o sólido, en relación a la necesidad de fabricación. Las resistencias líquidas implican procesos de fijación de muestras más complejos, durante el paso de fabricación, mientras que la preparación de las propias resinas puede ser más fácil y rápida. Por el contrario, las resistencias sólidas se pueden manipular de una manera más fácil, pero requieren procesos complejos y que requieren mucho tiempo. [4] Los fotopolímeros siempre incluyen un prepolímero (el monómero ) y, considerando la aplicación final, un fotoiniciador , como catalizador de la reacción de polimerización. Además, podemos encontrar inhibidores de polimerización (útiles para estabilizar resinas tanto reduciendo el vóxel obtenido), disolventes (que pueden simplificar los procedimientos de fundición), espesantes (los llamados "rellenos" ) y otros aditivos (como pigmentos, etc.) que tienen como objetivo para funcionalizar el fotopolímero.
Acrilatos
Los acrilatos son los componentes de resina más difundidos. Se pueden encontrar en muchos procesos tradicionales de fotolitografía que implican una reacción radical . Se difunden en gran medida y están disponibles comercialmente en una amplia gama de productos, con diferentes propiedades y composición. Las principales ventajas de este tipo de resistencias se encuentran en las excelentes propiedades mecánicas y en una reducida capacidad de contracción. Finalmente, los pasos de polimerización son más rápidos que otros tipos de fotopolímeros. [4] Las resistencias híbridas acrílicas orgánicas / inorgánicas se difunden en gran medida debido a su comportamiento biocompatible y estructural, las más famosas son la familia de materiales OMOCERs de base cerámica y la SZ2080 de base cerámica de silicio. [5] Este último, ha encontrado un amplio uso en el campo biológico y fotónico , gracias a la capacidad óptica sintonizable (como el índice de refracción ), simplemente cambiando la relación de fase inorgánica. [6]
Resina epoxica
Estas son las resinas más empleadas en los campos de MEMS y microfluidos . Explotan la polimerización catiónica . Una de las resinas epoxi más conocidas es SU-8 , [7] que permite la deposición de película delgada (hasta 500 µm) y la polimerización de estructuras con una relación de aspecto alta . Podemos encontrar muchas otras resinas epoxi como: SCR-701, muy empleada en micro objetos móviles, [8] y la SCR-500.
Aplicaciones
En la actualidad existen varios campos de aplicación para dispositivos microestructurados, fabricados por polimerización multifotónica, tales como: medicina regenerativa , ingeniería biomédica , micromecánica , microfluídica , microscopía de fuerza atómica , óptica y ciencias de las telecomunicaciones .
Medicina regenerativa e ingeniería biomédica
Con la llegada de los fotopolímeros biocompatibles (como SZ2080 y OMOCER), hasta la fecha se han realizado muchos andamios mediante litografía multifotónica. Varían en parámetros clave como geometría, porosidad y dimensión para controlar y acondicionar, de manera mecánica y química, señales fundamentales en cultivos celulares in vitro : migración, adhesión, proliferación y diferenciación. La capacidad de fabricar estructuras con un tamaño de característica más pequeño que el de las células ha mejorado drásticamente el campo de la mecanobiología, dando la posibilidad de combinar señales mecánicas directamente en el microambiente de las células. [9] Su aplicación final varía desde el mantenimiento del tallo en células madre mesenquimales adultas, como en el andamio NICHOID [10] que imita in vitro un nicho fisiológico, hasta la generación de andamios de ingeniería de migración.
Micromecánica y microfluídica
La polimerización multifotónica puede ser adecuada para realizar dispositivos activos microscópicos (como bombas) o pasivos (como filtros) que se pueden combinar con Lab-on-a-chip . Estos dispositivos se pueden utilizar ampliamente acoplados a microcanales con la ventaja de polimerizar en canales pre-sellados. Teniendo en cuenta los filtros, se pueden usar para separar el plasma de los glóbulos rojos, para separar poblaciones de células (en relación con la dimensión de una sola célula) o básicamente para filtrar soluciones de impurezas y desechos. Un filtro 3D poroso, que solo puede fabricarse con tecnología 2PP, ofrece dos ventajas clave en comparación con los filtros basados en pilares 2D. En primer lugar, el filtro 3D ha aumentado la resistencia mecánica a los esfuerzos cortantes, lo que permite una relación de vacíos más alta y, por lo tanto, un funcionamiento más eficiente. En segundo lugar, el filtro poroso 3D puede filtrar eficazmente elementos en forma de disco sin reducir el tamaño de los poros a la dimensión mínima de la celda. Teniendo en cuenta las microbombas integradas, se pueden polimerizar como rotores independientes de dos lóbulos, confinados en el canal por su propio eje, para evitar rotaciones no deseadas. Estos sistemas se activan simplemente mediante el uso de un sistema láser CW focalizado. [8]
Fuerza atómica microscópica
Hasta la fecha, las micropuntas de microscopía de fuerza atómica se realizan con técnicas fotolitográficas estándar en materiales duros, como oro, silicio y sus derivados. No obstante, las propiedades mecánicas de tales materiales requieren procesos de producción costosos y que consumen mucho tiempo para crear o doblar las puntas. La litografía multifotónica se puede utilizar para crear prototipos y modificar, evitando así el complejo protocolo de fabricación.
Óptica
Con la capacidad de crear estructuras planas 3D, la polimerización multifotónica puede construir componentes ópticos para guías de ondas ópticas , [4] resonadores , [11] cristales fotónicos , [12] y lentes. [13]
Referencias
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enlaces externos
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- ^ "Cuando la ciencia y el arte producen maravillas de la nanoescultura" . Phys.org, Nancy Owano. 18 de noviembre de 2014.