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Diálogo del 29 de agosto de 2023

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por Mangirdas Malinauskas

La litografía multifotónica (MPL) es una técnica que utiliza pulsos láser ultracortos para crear estructuras tridimensionales (3D) complejas a micro y nanoescala. Se basa en el principio de absorción multifotónica (MPA), que se produce cuando dos o más fotones son absorbidos simultáneamente por una molécula, lo que da como resultado un proceso óptico no lineal.

Al enfocar el rayo láser en un material fotosensible, como un fotorresistente o un prepolímero, la absorción multifotónica induce una reacción química localizada que cambia las propiedades del material. Al escanear el rayo láser y/o traducir la muestra en tres dimensiones, se puede fabricar la forma deseada con alta resolución y precisión sin restricciones geométricas. Esto permite la realización de la nanoimpresión láser 3D como técnica de fabricación aditiva.

MPL ya tiene muchas aplicaciones en campos como la microóptica, los dispositivos nanofotónicos, los metamateriales, los chips integrados y la ingeniería de tejidos. Puede crear estructuras que son imposibles o difíciles de lograr mediante métodos de litografía convencionales, como superficies curvas, estructuras huecas y gradientes funcionales. También puede permitir la fabricación de nuevos materiales con propiedades ópticas, mecánicas y biológicas adaptadas.

A pesar de que las configuraciones MPL están disponibles comercialmente, la comprensión de los mecanismos fotofísicos y fotoquímicos sigue siendo controvertida, ya que las fuentes láser más comunes se eligen con una longitud de onda de 800 nm, mientras que otras populares de 515 nm o 1064 nm también demostraron ser adecuadas.

Sin embargo, la teoría única y más popular de la absorción de dos fotones no se puede aplicar para explicar todas las diferentes condiciones experimentales y el resultado producido. Esta cuestión es importante para el desarrollo futuro de las fuentes láser y la construcción de máquinas de nanoimpresión 3D de alto rendimiento orientadas a las demandas industriales.

Estudiamos MPL, también conocida como polimerización de dos fotones (2PP) o simplemente nanoimpresión láser 3D, utilizando un láser de femtosegundo de longitud de onda sintonizable. Descubrimos que podíamos utilizar cualquier color del espectro de 500 a 1200 nm con un ancho de pulso fijo de 100 fs para lograr una interacción de mecanismos fotofísicos más delicada que la simple fotopolimerización de dos fotones.

Evaluamos el orden efectivo de absorción, es decir, la absorción del fotón X, así como las condiciones de exposición óptimas para el prepolímero SZ2080 fotosensibilizado y puro. Descubrimos que la capacidad de sintonización de la longitud de onda influyó en gran medida en la ventana de fabricación dinámica (DFW), lo que resultó en un aumento de 10 veces cuando se optimizó.

Además, observamos una deposición de energía no trivial por la absorción de fotones X con un inicio de un fuerte aumento de tamaño lateral en longitudes de onda más largas y explicamos que se debía a que se alcanzaron condiciones épsilon cercanas a cero (ENZ). Este control sobre la relación de aspecto del vóxel y, en consecuencia, el volumen fotopolimerizado, puede aumentar la eficiencia de la nanoimpresión 3D.

También investigamos la evolución del volumen polimerizado durante la escritura láser directa (DLW) a través de diferentes mecanismos de suministro de energía: absorción de uno, dos o tres fotones, ionización por avalancha y difusión térmica que conduce a una fotopolimerización controlada. Demostramos que la nanolitografía 3D con pulsos ultracortos en un amplio rango espectral de visible a IR cercano de 400 a 1200 nm se produce a través de excitación multifotónica definida por el orden efectivo de absorción. Nuestra investigación se publica en la revista Virtual and Physical Prototyping.

Notamos que el tamaño del vóxel lateral se desvió de la curva analítica y tuvo un inicio escalonado distinto que se expresa más en longitudes de onda más largas y mayor potencia. Atribuimos esto a la formación del estado ENZ en la región focal que provocó que se absorbiera una mayor porción de la intensidad de la luz incidente, lo que produjo una gran sección transversal lateral de un solo vóxel fotopolimerizado (característica de línea de forma deducida).

Validamos nuestro enfoque en un SZ2080 como material modelo y sugerimos que debería ser viable con otros materiales muy extendidos, como fotoresinas IP comerciales, PETA y otros materiales reticulables. Demostramos las aplicaciones de esta técnica en diversos campos, como la microóptica, los dispositivos nanofotónicos, los metamateriales, los chips integrados y la ingeniería de tejidos.

Presentamos algunos ejemplos de índice de refracción controlado, alta transparencia y componentes microópticos resistentes y activos que son posibles gracias a la litografía de fotones X en combinación con la calcinación y la deposición de capas atómicas. Estos logros tienen aplicaciones inmediatas en la detección en condiciones difíciles, en espacios abiertos e incluyendo vehículos aéreos no tripulados (UAV).

En perspectiva, todavía necesitamos investigaciones más profundas sobre el mecanismo de acumulación de calor, que depende de la velocidad de escaneo y la tasa de repetición del láser, así como del tamaño del punto focal. La longitud de onda sintonizable, junto con el chirrido del pulso, la duración y el funcionamiento en modo ráfaga, que se está convirtiendo en un estándar en las fuentes comerciales de láser fs, pueden proporcionar mejoras adicionales.

Teniendo en cuenta la tendencia de los últimos 20 años de escalamiento de la ley de Moore con una potencia promedio del láser fs que se duplica cada dos años, las aplicaciones de alto rendimiento se beneficiarán de la nanoimpresión 3D con parámetros optimizados.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Más información: Edvinas Skliutas et al, Nanolitografía 3D de escritura directa con láser de fotones X, creación de prototipos virtuales y físicos (2023). DOI: 10.1080/17452759.2023.2228324

Mangirdas Malinauskas defendió su doctorado. en 2010 en el Centro de Investigación Láser de la Universidad de Vilnius: "Fabricación láser de micro/nanoestructuras poliméricas 3D funcionales", supervisor Prof. R. Gadonas. Durante su carrera realizó prácticas en LZH (Prof. BN Chichkov) e IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). En 2019-2022 fue profesor especialmente designado en el Instituto de Tecnología de Tokio (Japón), grupo del Prof. J. Morikawa. Actualmente investiga los fundamentos de la micro/nanoestructuración láser 3D de materiales reticulables para aplicaciones en microóptica, nanoóptica (fotónica) y biomedicina en VU LRC. La financiación del laboratorio se adquiere a través de esquemas nacionales, europeos y mundiales (OTAN, Ejército de EE. UU.). Fue becario de Optica en 2022.