Когда большинство людей думают о 3D-печати, они, скорее всего, представляют себе относительно массивный продукт, который медленно формируется снизу вверх, по одному слою за проход. Однако новая техника позволяет создавать гораздо более сложные предметы - и делается это путем изменения цвета лазерного излучения.

Крошечный буксир, отпечатанный на 3D-принтере с использованием технологии апконверсии тройного синтеза. Dan Congreve/Tracy H. Schloemer/Arynn O. Gallegos

В настоящее время этот процесс разрабатывается группой специалистов Стэнфордского университета и представляет собой разновидность так называемой объемной 3D-печати.

Проще говоря, этот тип печати предполагает использование лучей или скорее световых шаблонов, проходящих через прозрачные верхнюю и боковые стенки контейнера, внутри которого находится светочувствительная желеобразная смола. Когда на смолу попадает свет, она полимеризуется (застывает) при этом остальная часть смолы внутри контейнера остается в виде геля.

Перемещая источник света так, чтобы он попадал на разные участки смолы, можно постепенно сформировать трехмерный объект. Такой объект как бы плавает в геле во взвешенном состоянии, до тех пор, пока не будет полностью распечатан и извлечен из контейнера.

Стэнфордская технология "апконверсия тройного синтеза" основана на существующей разновидности объемной 3D-печати (так называемой двухфотонной абсорбции), которая используется для создания чрезвычайно детализированных объектов.

Новый процесс предполагает использование высокоэнергетического синего лазерного излучения для полимеризации смолы с высокой точностью. Однако если бы в контейнер был направлен один непрерывный луч такого света, смола затвердела бы по всей длине луча. Чтобы обойти эту проблему, луч начинается как низкоэнергетический красный лазерный свет и становится синим только в точке, на которой он сфокусирован.

Схема технологического процесса печати. Dan Congreve/Tracy H. Schloemer/Arynn O. Gallegos

Для этого крошечные "капельки" специальных наноматериалов, покрытых кремнеземом, рассредоточены по всей смоле. В местах, где красный свет попадает на такие "капельки", происходит цепная передача энергии, в результате чего низкоэнергетические красные фотоны света преобразуются в высокоэнергетические синие. В результате смола полимеризуется именно в этой точке.

"Традиционная двухфотонная печать выглядит очень похоже на то, что мы делаем здесь. Однако физический процесс требует для работы огромного количества лазерной энергии, и поэтому обычно ограничивается малыми (нано- и микро) масштабами", - рассказывает ведущий ученый, доцент Дэн Конгрив. "Наш процесс требует намного, намного меньше энергии (мы использовали всего 4 милливатта, что меньше, чем мощность обычной лазерной указки) и поэтому мы можем делать это в больших (~см) объемах".

Сейчас Конгрив и его коллеги пытаются ускорить процесс печати, за счет одновременного использования нескольких лазеров, а также изучают возможность дальнейшего развития технологии тройного синтеза в более эффективных солнечных батареях, которые могли бы преобразовывать низкоэнергетический свет в полезные высокоэнергетические длины волн.

Исследование описано в статье, которая недавно была опубликована в журнале Nature.

Источники: Стэнфордский университет, Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-022-04485-8) (https://news.stanford.edu/press/view/43438)