Исследователи разработали метод 3D-печати, позволяющей создавать металлические объекты с разрешением на уровне ста нанометров. Для этого они предложили печатать структуры из насыщенного металлом органического фоторезиста, а затем пиролизом удалять полимерную часть, оставляя только металл, из-за чего размеры объекта многократно уменьшаются, сообщается в журнале Nature Communications.

Часто для 3D-печати с высоким разрешением используют фоторезист - изначально жидкий полимер, который затвердевает под действием лазерного луча. В отличие от других популярных методов, к примеру, подачи капель расплавленного материала из сопла или спекания заранее уложенных частиц, разрешение фотолитографии может быть высоким, потому что оно больше зависит от фокусировки лазера, а не от самого материала или диаметра сопла. Но поскольку в этих методах используется полимер, в металлической 3D-печати его не используют.

Исследователи под руководством Джулии Грир (Julia Greer) из Калифорнийского технологического института разработали новый метод фотолитографии, позволяющий создавать полностью металлические детали. Для этого они предложили использовать комплексное соединение, состоящее из никеля и акрилатного лиганда. Затем к нему добавляется акриловая основа и фотоинициатор, отвечающий за полимеризацию смеси под действием лазера.

Как и при обычной лазерной литографии, лазер проходит через жидкую смесь и заставляет ее затвердевать в определенных местах. Поскольку при этом образуется по большей части полимерная деталь, инженеры добавили в процесс еще два этапа. Сначала деталь выдерживают в атмосфере инертного аргона при тысяче градусов Цельсия. При этом почти вся полимерная часть удаляется и линейные размеры объекта уменьшаются в пять раз. После этого объект снова нагревают, но уже до 600 градусов Цельсия и в формовочном газе. Во время этого этапа из детали окончательно удаляются полимеры, а также кислород. Помимо этого на этом этапе происходит рост зерен, которые в итоге имеют средний размер около 20 нанометров.

Структура до и после отжига
Структура до и после отжига

Инженеры продемонстрировали метод, напечатав объемную решетку. До термообработки размер одной ячейки в ней составлял примерно десять микрометров, а толщина каждого луча два микрометра. После того, как из решетки удалили всю полимерную часть размер ячейки стал равен двум микрометрам, а толщина лучей примерно 300-400 нанометров.

Инженеры признают, что из-за удаления полимеров качество конструкции ухудшается и пористость в ней повышается до 10-30 процентов. На фотографиях со сканирующего электронного микроскопа можно видеть, что поверхность после обработки становится гораздо менее ровной. Вместе с этим напечатанные таким методом изделия получаются достаточно прочными. Исследователи считают, что после доработки метода разрешение печати можно будет довести до 25 нанометров, а вместо никеля можно использовать и другие металлы.