3D-nanoprinten op je desktop

Lasers in printers voor papier zijn erg klein. 3D-laserprinters voor 3-dimensionale microstructuren en nanostructuren daarentegen hadden tot nu toe grote en dure lasersystemen nodig. Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Universiteit van Heidelberg gebruiken hiervoor nu tweestapsabsorptie. Dankzij de goedkope en kleine blauwe laserdiodes kunnen veel kleinere printers worden gebruikt.

Het werk verscheen in Nature Photonics.

 Laserprinten is populair voor 3D-printen, omdat het de beste ruimtelijke resolutie van alle methoden biedt en een hoge printsnelheid bereikt. Bij laserprinten wordt een laserstraal gefocust op een lichtgevoelige vloeistof. In het brandpunt zet het laserlicht een schakelaar om in speciale moleculen en veroorzaakt een chemische reactie die leidt tot plaatselijke verharding van het materiaal. Door het brandpunt te verplaatsen, kunnen alle 3D-micro- en nanostructuren worden geproduceerd.

De reactie is gebaseerd op twee-fotonabsorptie, wat inhoudt dat twee fotonen het molecuul tegelijkertijd aanslaan. Deze gelijktijdige excitatie gebeurt echter zeer zelden, zodat complexe gepulseerde lasersystemen moeten worden toegepast, wat resulteert in grotere afmetingen van de laserprinter.

Bij gebruik van het tweestapsproces kunnen compactere, kleinere printers worden gerealiseerd. Het eerste foton brengt het molecuul naar een tussentoestand. In de tweede stap brengt een tweede foton het molecuul over van de tussentoestand naar de gewenste aangeslagen toestand en start de chemische reactie. Het voordeel: in tegenstelling tot de absorptie van twee fotonen, hoeft de absorptie van de twee fotonen niet per se tegelijkertijd te gebeuren.

"Voor het proces kunnen compacte en energiezuinige laserdiodes met continue golven worden gebruikt", zegt eerste auteur Vincent Hahn van het KIT. De vereiste laservermogens liggen ver onder die van conventionele laserpointers. Voor printen zijn echter specifieke fotoresists nodig. "De ontwikkeling van deze fotoresists heeft meerdere jaren geduurd en was alleen mogelijk in samenwerking met chemici", zegt Martin Wegener (APH).

Niet alleen makkelijker, maar ook beter

Voor Wegener is het voordeel duidelijk: "Het is een groot verschil tussen het gebruik van een femtoseconde laser zo groot als een grote koffer voor enkele tienduizenden euro's of een halfgeleiderlaser die zo groot is als een speldenknop en minder dan tien euro kost. Nu moeten ook de andere componenten van de 3D-laser-nanoprinter worden geminiaturiseerd. Een toestel dat zo groot wordt als een schoenendoos lijkt mij de komende jaren realistisch. Dat zou nog kleiner zijn dan de laserprinter op mijn desktop bij KIT."