چاپ سه‌بعدی ساختارهای هندسی پیچیده با کمک نانوذرات

به گزارش گروه علم و آموزش ایران اکونومیست، محققان دانشگاه استنفورد و دانشگاه هاروارد روش جدیدی برای چاپ سه‌بعدی حجمی ارائه کرده‌اند که قادر به ساخت قطعات رزینی بدون نیاز به هیچ‌گونه ساختار پشتیبانی است.

این رویکرد متکی بر یک ماده رزینی مملو از نانوذرات است که تنها زمانی سخت می‌شود که لیزر بسیار متمرکز به آن تابیده شود. با تغییر فوکوس لیزر در سرتاسر مخزن رزین، محققان امکان چاپ را در هر نقطه از رزین، نه فقط در لایه سطحی، فراهم کرده‌اند.

به این ترتیب، چاپگر سه‌بعدی جدید نیازی به چاپ اشیا از پایین به بالا به صورت لایه به لایه ندارد و این ویژگی راه را برای ایجاد ساختارهای هندسه‌ انتزاعی که می‌توان تقریباً از هر جهت به آن چیزی اضافه کرد، هموار می‌کند.

دن کنگریو یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: رزین ما در طول فرآیند چاپ نیازی به هیچ تکیه‌گاهی ندارد و این امر پردازش قطعات را بسیار ساده‌تر می‌کند. از آنجایی که ما محدود به این فرآیند لایه به لایه نیستیم، می‌توانیم ساختارهایی مانند برآمدگی‌هایی را که به طور سنتی چالش برانگیز هستند، چاپ کنیم. این یک فناوری کاملاً جدید است.

در اولین نگاه، روش چاپ سه‌بعدی محققان استنفورد بسیار شبیه استریولیتوگرافی معمولی (SLA) است. یک پرتو لیزر به سمت رزین هدایت می‌شود، وقتی رزین در معرض نور آبی قرار می‌گیرد، پخت انجام می‌شود. با این حال، این تیم فقط از لیزر آبی استاندارد استفاده نکردند، زیرا این کار می‌تواند در تمام طول موج‌های پرتو لیزر انجام شود.

آن‌ها از یک رزین ویژه حاوی نانوذرات تبدیل‌کننده نور با قطر ۸۰ نانومتر استفاده کردند. این نانوذرات برای تبدیل نور قرمز به نور آبی در هنگام رسیدن به آستانه بحرانی انرژی طراحی شده‌اند که تنها زمانی می‌توان به آن دست یافت که لیزر در حداکثر فوکوس باشد. به این ترتیب، این روش به جای استفاده نور آبی، از یک لیزر قرمز استاندارد استفاده می‌کند.

این فناوری جدید نیاز به پخت در لایه سطحی را حذف می‌کند و تنها با تمرکز لیزر قرمز روی مختصات XYZ مورد نظر، می‌توان نقاط تکی را در یک مخزن رزین خشک کرد. یک یا چند لیزر را می‌توان در اطراف رزین چرخاند تا به صورت حجمی تقریباً از هر جهت به طور همزمان چاپ شود و با این کار هر هندسه‌ای را بدون پشتیبان می‌توان تولید کرد.

برای فرموله کردن مخلوط رزین ویژه، این تیم مولکول‌های مورد نظر را به قطرات نانومقیاس تبدیل کردند و آن‌ها را در یک لایه سیلیسی محافظ پوشاندند. نانوکپسول‌های حاصل در سراسر ماتریس رزین توزیع شدند تا کامپوزیت نهایی تبدیل کننده نور را تشکیل دهند.

تریسی شلومر، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: «پیدا کردن چگونگی مقاوم‌سازی نانوکپسول‌ها بی‌اهمیت نبود زیرا رزین چاپ سه‌بعدی بسیار خشن است. اگر نانوکپسول‌ها شروع به از هم پاشیدن کنند، تمام محتویات بیرون می‌ریزد و نمی توانید آن برخوردهای مولکولی را که نیاز دارید بدست آورید.»

محققان در حال حاضر در حال بررسی کاربردهای دیگر برای نانوکپسول‌های تبدیل‌کننده نور هستند. موارد استفاده بالقوه این فناوری شامل پنل‌های خورشیدی کارآمدتر است که به موجب آن نور کم انرژی می‌تواند به طول موجی تبدیل شود که سلول‌های خورشیدی راحت‌تر آن را جذب کنند. آنها همچنین می‌توانند برای مطالعه مدل‌های زیستی استفاده شوند که از نور برای تقویت واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند.