Inženýři vyvíjejí nový druh 3D tisku
Zatímco techniky 3D tisku v posledním desetiletí výrazně pokročily, tato technologie i nadále naráží na zásadní omezení: objekty je nutné budovat vrstvu po vrstvě. Ale co když by to mohlo být i jinak?
Dan Congreve, odborný asistent elektrotechniky na Stanfordu a Rowland Fellow na Rowlandově institutu na Harvardské univerzitě, a jeho kolegové vyvinuli způsob, jak tisknout 3D objekty v rámci celého objemu pryskyřice a to díky možnosti směřování laserového parsku ve všech směrech, dokonce i z boku. To odstraňuje potřebu podpůrných struktur, které jsou obvykle nutné pro vytváření složitých návrhů se standardnějšími metodami tisku. Nový systém 3D tisku, který byl nedávno zveřejněn v časopise Nature, by mohl usnadnit tisk stále složitějších návrhů a zároveň ušetřit čas a materiál.
„Schopnost
provádět tento objemový tisk vám umožňuje tisknout objekty, které byly dříve
velmi složité,“ řekl Congreve. "Je to velmi vzrušující příležitost pro
třírozměrný tisk do budoucna."
Tisk světlem
Na jeho povrchu se tato technika zdá poměrně přímočará: Výzkumníci zaostřili laser přes čočku a osvítili jej do želatinové pryskyřice, která ztvrdne, když je vystavena modrému světlu. Ale Congreve a jeho kolegové nemohli jednoduše použít modrý laser – pryskyřice by se vytvrdila po celé délce paprsku. Místo toho použili červené světlo a některé chytře navržené nanomateriály rozptýlené v pryskyřici k vytvoření modrého světla pouze v přesném ohnisku laseru. Přesunutím laseru kolem nádoby s pryskyřicí byli schopni vytvořit detailní výtisky bez podpory.
Congreveova laboratoř se specializuje na přeměnu jedné vlnové délky světla na jinou pomocí metody zvané upconversion tripletové fúze. Se správnými molekulami ve vzájemné těsné blízkosti mohou vědci vytvořit řetězec přenosů energie, který například změní nízkoenergetické červené fotony na vysokoenergetické modré.
"Tato technika upkonverze mě zaujala už na vysoké škole," řekl Congreve. "Má nejrůznější zajímavé aplikace v solárním, bio a nyní i v tomto 3D tisku. Naše skutečná specialita je v samotných nanomateriálech – navrhneme je tak, aby vyzařovaly světlo o správné vlnové délce, aby je vyzařovaly efektivně a aby byly rozptýleny v pryskyřici."
Prostřednictvím série kroků byli Congreve a jeho kolegové schopni zformovat nezbytné upkonverzní molekuly do odlišných kapiček v nanoměřítku a potáhnout je ochrannou vrstvou oxidu křemičitého. Poté výsledné nanokapsle, z nichž každá je 1000krát menší než šířka lidského vlasu, rozmístili v celém objemu pryskyřice.
"Zjistit, jak udělat nanokapsle dostatečně velké, nebylo vůbec triviální - pryskyřice pro 3D tisk je ve skutečnosti docela agresivní," řekla Tracy Schloemer, postdoktorandka v laboratoři Congreve a jedna z hlavních autorů článku. "A pokud se ty nanokapsle začnou rozpadat, vaše schopnost přeměny pryskyřice zmizí. Veškerý váš obsah se vysype a nemůžete získat ty molekulární srážky, které potřebujete."
Další kroky pro nanokapsle přeměňující světlo
Vědci v současné době pracují na způsobech, jak zdokonalit svou techniku 3D tisku. Zkoumají možnost tisku více bodů současně, což by proces značně urychlilo, a také tisk ve vyšším rozlišení a menším měřítku.
Společnost Congreve také zkoumá další příležitosti, jak využít nanokapsle s přeměnou. Mohou pomoci zlepšit účinnost solárních panelů, například přeměnou nepoužitelného nízkoenergetického světla na vlnové délky, které mohou solární články shromáždit. Nebo by mohly být použity k tomu, aby pomohly výzkumníkům přesněji studovat biologické modely, které lze spouštět světlem, nebo dokonce v budoucnu poskytovat lokalizovanou léčbu.
"Mohli byste proniknout tkání infračerveným světlem a pak toto infračervené světlo přeměnit na vysokoenergetické světlo pomocí této techniky přeměny, například k vyvolání chemické reakce," řekl Congreve. "Naše schopnost kontrolovat materiály v nanoměřítku nám dává spoustu opravdu skvělých příležitostí k řešení náročných problémů, ke kterým je jinak obtížné přistupovat."
Dalšími Stanfordskými spoluautory tohoto výzkumu jsou postdoktorand Tracy Schloemer; bývalý hostující výzkumník Michael Seitz; a postgraduální studentka Arynn Gallegosová. Další spoluautoři, včetně spoluautora, jsou z Rowlandova institutu na Harvardské univerzitě.
