香港中文大學(xué)和美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）等科研機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)了一種新的納米級3D打印技術(shù)-飛秒投影雙光子光刻（FP-TPL），該技術(shù)能夠在不犧牲分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)的高速制造，與已有的雙光子光刻（TPL）技術(shù)相比，新技術(shù)的打印速度快一千倍。
2019年10月4日的Science 雜志，刊登了研究團(tuán)隊(duì)的論文"Scalable submicrometer additive manufacturing"。
微型零部件 規(guī)�；a(chǎn)
研究團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于提升雙光子光刻納米級3D打印技術(shù)的打印速度，高速3D打印技術(shù)FP-TPL的成功開發(fā)，來自于一種不同的聚焦光的方法，即利用時域特性生產(chǎn)出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。
飛秒激光的使用使研究小組能夠保持足夠的光強(qiáng)度，以觸發(fā)雙光子過程聚合，同時保持較小的點(diǎn)尺寸。在FP-TPL技術(shù)中，飛秒脈沖經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)時會被拉伸和壓縮，以實(shí)現(xiàn)時間聚焦。該過程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征。
現(xiàn)有的納米級3D打印技術(shù)使用直徑通常在700到800納米左右的單點(diǎn)高強(qiáng)度光，將光敏聚合物材料從液體轉(zhuǎn)換為固體，在這一技術(shù)中，光點(diǎn)需要掃描整個要制造的結(jié)構(gòu)，因此打印速度受到了限制，也限制了這類技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。
在新納米3D打印技術(shù)FP-TPL 的研究中，研究人員沒有同時使用多個單光點(diǎn)，而是投影了100萬個點(diǎn)，3D構(gòu)建過程是通過整個投影光平面實(shí)現(xiàn)的，而不是通過掃描的單個點(diǎn)來創(chuàng)建的。也就是說，在打印過程中FP-TPL 技術(shù)不是通過聚焦一個點(diǎn)進(jìn)行打印對象構(gòu)建的，而是擁有一個可以被圖案化為任意結(jié)構(gòu)的整個聚焦平面來實(shí)現(xiàn)的。
研究人員使用類似于投影儀中使用的數(shù)字掩模來創(chuàng)建圖像，從而投影出100萬個點(diǎn)。每一個打印層都是由35飛秒的強(qiáng)光束形成的，在投影儀和掩�？刂葡轮饘舆M(jìn)行打印。在這種情況下，數(shù)字掩�？刂骑w秒激光在前驅(qū)體液態(tài)聚合物材料中產(chǎn)生所需的光圖案，高強(qiáng)度光會引起材料的聚合反應(yīng)，將液體變成固體從而形成3D結(jié)構(gòu)。
FP-TPL技術(shù)能夠在8分鐘內(nèi)打印出過去需要花費(fèi)數(shù)小時才能夠完成打印的結(jié)構(gòu)。盡管速度得到了顯著提升，但FP-TPL 技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高速3D打印與保證分辨率之間做了更好的平衡。以往的3D打印技術(shù)在打印速度高的情況下，分辨率會受到影響，FP-TPL 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)是，打印速度得到了顯著提升，同時能夠?qū)崿F(xiàn)的深度分辨率達(dá)175納米，優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的90度懸垂的結(jié)構(gòu)。
這一技術(shù)與消費(fèi)級3D打印技術(shù)不同的是，FP-TPL技術(shù)深入到了液體前驅(qū)體材料中，可以制造出僅靠表面加工無法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，例如具有90度的懸垂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)長寬比與特征尺寸的長寬比超過1,000：1。在FP-TPL 3D打印過程中，光可以被投射到材料中所需的任何深度。
在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員在小于100微米*100微米的基底中打印了1毫米長的懸垂結(jié)構(gòu)，由于液體和固體的密度大約相同，打印速度快，懸垂結(jié)構(gòu)在制造時沒有塌陷。除了懸垂結(jié)構(gòu)，研究人員還打印了微柱、長方體、線和螺旋等結(jié)構(gòu)對FP-TPL技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。打印材料為常規(guī)的聚合物前驅(qū)體，但研究人員認(rèn)為該技術(shù)也適用于制造前驅(qū)體聚合物生成的金屬和陶瓷。
研究人員表示，FP-TPL技術(shù)的潛在應(yīng)用是，進(jìn)行微小零部件的規(guī)�；a(chǎn)，例如生產(chǎn)智能手機(jī)中的組件，以及生物支架、柔性電子器件、電化學(xué)界面、微光學(xué)元件、機(jī)械和光學(xué)超材料以及其他功能性微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的部件。
