تحقيق ضغط موحد للهياكل النانوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد

تُحدث الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في تصنيع الهياكل المعقدة بشكل كبير، مما يؤثر على كل شيء بدءًا من السكن وحتى أدوات السمع.

في المقياس الصغير والنانوي، تتيح الطباعة الحجرية للبلمرة ثنائية الفوتون (TPL) تصنيع المواد ذات الحبيبات الدقيقة. ولهذه العملية آثار واسعة النطاق عبر الصناعات، من الطب إلى التصنيع، بسبب قدرتها على تحقيق الدقة المجهرية في الإبداعات.

يكشف TPL عن تطبيقات واعدة في مجال الحوسبة والاتصالات من خلال تسهيل إنشاء مواد بصرية جديدة مثل البلورات الضوئية القادرة على معالجة الضوء بشكل تفاضلي.

ومع ذلك، فإن تحقيق إمكاناتها الكاملة يواجه عقبات، تتمحور في المقام الأول حول تحقيق ضغط موحد وأحجام مميزة أصغر من الطول الموجي للضوء المرئي. يعد هذا التحكم الدقيق أمرًا بالغ الأهمية لمعالجة الضوء المتقدمة ويشكل تحديًا كبيرًا يجب التغلب عليه.

للتغلب على هذه العقبة، يقود البروفيسور جويل يانغ فريقًا من ركيزة تطوير المنتجات الهندسية. جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم (SUTD)، بالتعاون مع خبراء من مركز التكنولوجيا الصناعية في محافظة واكاياما، اليابان.

وقام الاثنان معًا بتطوير تقنية جديدة تهدف إلى تحقيق انكماش موحد في الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد أثناء المعالجة الحرارية. تمثل هذه الطريقة تقدمًا كبيرًا في تحسين استخدام TPL لإنشاء ميزات نانوية دقيقة بشكل استثنائي.

نشرت في البحوث التواصل الطبيعي.

استخدم العلماء طبقة من البولي (كحول الفينيل) أو PVA على ركيزة الطباعة للمساعدة في غسل الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد ونقلها إلى ركيزة منفصلة، ​​مما يسمح بالتحكم في الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد وتقليلها بشكل موحد. يسمح الاقتران السائب في الركيزة الجديدة لقاعدة الهياكل بالانزلاق حيث تتقلص الطباعة ثلاثية الأبعاد الإجمالية بشكل موحد مع ارتفاع درجة حرارتها.

يتم حل مشكلة الانكماش غير المتساوي الناتج عن ربط الهيكل بالسطح المطبوع من خلال أسلوب بسيط وفعال. وهذا يفتح خيار دمج الأجزاء المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع الأجهزة الأخرى أو على ركائز متوافقة مع TPL.

وبينما تتمدد ديدان الأرض وتنكمش على الأسطح، كنا نأمل أن نكون قادرين على “تحريك” الهياكل ثلاثية الأبعاد على مقاييس صغيرة دون تشويهها..

جويل كيه دبليو يانغ، أستاذ تطوير المنتجات الهندسية، جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم

استلهم يانغ من الطبيعة لتطوير هذه التقنية المبتكرة.

كانت الهندسة المعقدة لشعار محافظة واكاياما – منحنياته ونتوءاته وانحداراته المختلفة – موضوعًا ممتازًا لإثبات فعالية تقنيتنا. ويشير الضغط الموحد الناجح لمثل هذا النموذج المفصل إلى أن طريقتنا يمكن أن تتكيف مع أي شكل، بغض النظر عن شكله أو صلابة المنصة..

توموهيرو موري، مدرس أول وباحث زائر، مركز التكنولوجيا الصناعية بمحافظة واكاياما

تسمح لهم طريقتهم بإنشاء هياكل تفصيلية معقدة تتجاوز القيود الكامنة في أدوات الطباعة الخاصة بهم. يتغلب هذا الإنجاز على العوائق السابقة المتعلقة بالدقة وصلابة المواد المرتبطة عادةً بالأشياء المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

باستخدام تقنية التقليص هذه، يمكن للباحثين تحسين ميزات الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد لأداء وظائف جديدة، مثل العمل كمؤشرات بصرية من خلال الكشف عن الألوان الهيكلية. في الأساس، تنشأ هذه الألوان من البنية الداخلية للمادة وليس من الأصباغ. مع انخفاض حجم الهيكل، يخضع تفاعله مع الضوء لتغييرات تغير مظهره البصري.

ويوفر وظائف مختلفة للكائنات.

على سبيل المثال، دمج جزيئات معينة تسمى حاملات الألوان الحساسة لأنواع مختلفة من الضوء في الهياكل سيسمح لنا بهندسة المواد التي تغير الألوان استجابة لظروف إضاءة معينة. وله تطبيقات عملية في ممارسة مكافحة التزييف، حيث يمكن التحقق من صحة العناصر من خلال الألوان الهيكلية الفريدة وخصائص الانبعاث لهذه المواد..

جويل كيه دبليو يانغ، أستاذ تطوير المنتجات الهندسية، جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم

تجد الطريقة التي وضعها الباحثون تطبيقًا في صناعات مثل الإلكترونيات، حيث يمكن استخدامها لإنتاج المشتتات الحرارية المعقدة اللازمة لتبريد الأجهزة عالية الأداء مثل وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية المتطورة.

يتيح التخفيض الموحد للمكونات المطبوعة إمكانية التطبيقات في المجالات التي تتطلب موثوقية عالية في بنية المواد، مثل الأجزاء الميكانيكية ذات الأشكال الهندسية المعقدة، والمكونات البصرية ذات قدرات دقيقة في التعامل مع الضوء، والأجهزة الصوتية التي يمكنها إدارة الصوت بدقة عالية.

وبالنظر إلى المستقبل، يخطط العلماء لتوسيع تطبيقات طريقتهم إلى ما هو أبعد من مادة الراتنج البوليمرية الحالية المستخدمة في الأبحاث. ومن خلال تطبيق طريقتهم على المواد ذات مؤشرات الانكسار العالية، يهدف العلماء إلى إنشاء بلورات ضوئية أكثر فعالية يمكنها تحسين الآليات في أجهزة الليزر وأنظمة التصوير وأجهزة الاستشعار البصرية.

بالإضافة إلى ذلك، يتحكم الفريق في المسافات بين الهياكل المطبوعة لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد كاملة الألوان تتحكم بدقة في طريقة معالجة الضوء.

تتضمن جهودهم تغيير هذه الهياكل وتحديد موضعها بدقة على مساحات واسعة أو أحجام كبيرة مع الحفاظ على الدقة الدقيقة التي تتطلبها هذه التطبيقات المتقدمة.

ملاحظة للمجلة:

موري، د.، واشياء أخرى عديدة. (2023) وضع عملية انتقائية للضغط الموحد للمواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات البنية الدقيقة والنانوية. التواصل الطبيعي. دوى/s41467-023-41535-9

مصدر: https://www.sutd.edu.sg/