Eine einfache, skalierbare Methode mit Licht zum 3D-Druck helikaler Nanostrukturen

Laut einer Studie von Forschern der University of Michigan bietet ein neues Herstellungsverfahren für helikale Metallnanopartikel eine einfachere und kostengünstigere Möglichkeit, schnell ein Material herzustellen, das für biomedizinische und optische Geräte unerlässlich ist.

„Einer unserer Beweggründe ist die drastische Vereinfachung der Herstellung komplexer Materialien, die in vielen aktuellen Technologien Engpässe darstellen“, sagte Nicholas Kotov, Professor für chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Irving Langmuir Distinguished University an der UM und Mitautor der Studie. veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Chirale Oberflächen – das heißt, der Oberfläche fehlt die Spiegelsymmetrie (z. B. eine linke und eine rechte Hand) –, die Licht im Nanomaßstab beugen können, sind sehr gefragt. Die neue Studie zeigt eine Möglichkeit, sie durch den 3D-Druck von „Wäldern“ aus nanoskaligen Helices herzustellen. Durch die Ausrichtung der Helices-Achsen mit einem Lichtstrahl entsteht eine starke optische Rotation, wodurch Chiralität in Gesundheits- und Informationstechnologien genutzt werden kann, bei denen Chiralität üblich ist.

Chirale Oberflächen aus plasmonischen Metallen sind sogar noch wünschenswerter, da sie eine große Familie sehr empfindlicher Biodetektoren hervorbringen können. Sie können beispielsweise bestimmte Biomoleküle erkennen, die von gefährlichen Stoffen produziert werden arzneimittelresistente Bakterien, mutierte Proteine ​​oder DNA – was die Entwicklung gezielter Therapeutika unterstützen kann. Diese Materialien bieten auch das Potenzial, Informationstechnologien voranzutreiben und durch die Nutzung der Wechselwirkung von Licht mit elektronischen Systemen (z. B. Glasfaserkabeln) größere Datenspeicherkapazitäten und schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten zu schaffen.

Obwohl diese speziellen 3D-strukturierten Oberflächen aus Stand-up-Helices dringend benötigt werden, sind die traditionellen Methoden zu ihrer Herstellung komplex, teuer und verursachen viel Abfall.

Meistens werden diese Materialien mit hochspezialisierter Hardware hergestellt – etwa Zwei-Photonen-3D-Lithographie oder ionen-/elektronenstrahlinduzierter Abscheidung –, die nur in wenigen High-End-Einrichtungen verfügbar ist. Obwohl diese Methoden genau sind, erfordern sie eine zeitaufwändige, mehrstufige Verarbeitung bei Niederdruck- oder Hochtemperaturbedingungen.

Als Alternative wurde der 3D-Druck vorgeschlagen, die bestehenden 3D-Drucktechnologien ermöglichen jedoch keine Auflösung im Nanomaßstab. Als Lösung entwickelte das UM-Forschungsteam eine Methode, die helikale Lichtstrahlen nutzt, um nanoskalige Helices mit spezifischer Händigkeit und Steigung zu erzeugen.

„Zentimetergroße chirale plasmonische Oberflächen können mit kostengünstigen Lasern mittlerer Leistung innerhalb von Minuten erzeugt werden. Es war erstaunlich zu sehen, wie schnell diese spiralförmigen Wälder wachsen“, sagte Kotov.

Der 3D-Druck helikaler Strukturen durch helikales Licht basiert auf dem Chiralitätsübertragung von Licht auf Materie vor etwa 10 Jahren an der UM entdeckt.

Der einstufige, maskenfreie Direktschreibdruck aus wässrigen Silbersalzlösungen bietet eine Alternative zur Nanolithographie und treibt gleichzeitig die additive 3D-Fertigung voran. Die einfache Verarbeitung, die hohe Polarisationsdrehung und die feine räumliche Auflösung des lichtgesteuerten Druckens von Helices aus Metall werden die Vorbereitung komplexer nanoskaliger Architekturen für die nächste Generation optischer Chips erheblich beschleunigen.