[論文レビュー] Printing on Particles: Combining Two-Photon Nanolithography and Capillary Assembly to Fabricate Multimaterial Microstructures

Steven van Kesteren, Xueting Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2022

Nonlinear Optical Materials Studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2光子直接レーザーライティング(DLW)とキャピラリー支援粒子アセンブリ(sCAPA)を組み合わせたハイブリッド手法「パラメータへのプリント」を提案する。DLWを用いて精密な粒子アセンブリ用3次元テンプレートを形成し、その後、市販のフォトリソグラフィー感光剤を用いて粒子間にカスタムリンクをプリントすることで、チューナブルな対称性、組成、幾何学的形状を有するプログラマブルで再構成可能な1次元および2次元コロイド格子を実現。微小ロボット工学やメタマテリアル分野における複雑で再分散可能なマイクロ構造の作製が可能となる。

ABSTRACT

Additive manufacturing at the micro- and nanoscale has seen a recent upsurge to suit the increasing demand for more elaborate structures. However, the integration and precise placement of multiple distinct materials at small scales remain a challenge. To this end, we combine here the directed capillary assembly of colloidal particles and two-photon direct laser writing (DLW) to realize a new class of multi-material microstructures. We use DLW both to fabricate 3D micro-templates to guide the capillary assembly of soft- and hard colloids, and to link well-defined arrangements of polystyrene or silica particles produced with capillary assembly, a process we term "printing on particles". The printing process is based on automated particle recognition algorithms and enables the user to connect colloids into one- and two-dimensional tailored structures, including particle clusters and lattices of varying symmetry and composition, using commercial photo-resists (IP-L or IP-PDMS). Once printed and developed, the structures can be easily harvested and re-dispersed in water. The flexibility of our method allows the combination of a wide range of materials into complex structures, which we envisage will boost the realization of new systems for a broad range of fields, including microrobotics, micromanipulation and metamaterials.

研究の動機と目的

• 高空間分解能を実現する複雑なマイクロスケール構造に、特に有機および無機、柔軟および硬質材料を統合する課題に取り組む。
• 従来の3Dプリント技術の制限を克服し、マルチマテリアル配置にマイクロメートルスケールの制御ができない点を改善する。
• 直接3次元プリントの設計の柔軟性とコロイド粒子アセンブリのスケーラビリティを活用し、複雑で再構成可能なマイクロ構造を構築する。
• 市販のフォトリソグラフィー感光剤を用いて、定義された対称性、組成、幾何学的形状を持つカスタマイズ可能なコロイド格子およびクラスターの作製を可能にする。
• 後工程での操作および再利用が可能な収穫可能で再分散可能なプロセスを実現する。

提案手法

• キャピラリーアセンブリ用の正確に形状が定義されたマイクロトラップを有する3次元マスターを2光子直接レーザーライティング(DLW)で作製する。
• キャピラリー支援粒子アセンブリ(sCAPA)を用いて、マイクロ粒子（例：スチロール、ジルコニア、PNIPAMマイクロゲル）をDLWで作製したトラップに制御された配置と対称性で堆積させる。
• 2度目のDLWプロセスを用い、「粒子へのプリント」を実施し、フォトリソグラフィー感光剤（IP-LまたはIP-PDMS）を堆積・硬化させて、アセンブリした粒子を安定した複雑な1次元または2次元構造に結合させる。
• 自動化された粒子認識アルゴリズムを活用し、粒子間の印刷リンクの正確な配置をガイドすることで、カスタマイズ可能なコロイドアーキテクチャを実現する。
• PDMSテンプレートを介してデキストラン-グルコースの犠牲層にアセンブリおよび印刷された構造を転写し、水に溶解することで容易に収穫可能にする。
• 標準的な後工程処理手順を実施：PGMEA/IPAによる開発、UV後焼鈍し、および臨界点ドライフィングによるSEMおよび光学画像の取得。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2光子直接レーザーライティングとキャピラリーアセンブリを組み合わせることで、サブミクロンスケールでの高精度なマルチマテリアルマイクロ構造の作製が可能か？
• RQ2 この手法により、柔軟なマイクロゲルと硬質な無機粒子といった性質が異なる材料を、1つの安定的かつ再構成可能なマイクロ構造に統合できるか、その範囲はどの程度か？
• RQ3 「粒子へのプリント」プロセスは、異なる粒子種別およびフォトリソグラフィー感光剤素材に一般化可能で自動化可能か？
• RQ4 印刷されたマイクロ構造は、溶液中での下流応用に適切に収穫され、再分散可能か、その効率はいかがなもんか？
• RQ5 このハイブリッド手法を用いた1次元および2次元コロイド格子において、達成可能な構造的複雑性および対称性制御の程度はどの程度か？

主な発見

• DLWで作製したトラップを用いて、2 µmのスチロールおよび2 µmのPNIPAMマイクロゲルの180°三粒子クラスターを高空間分解能で成功して作製した。
• 1粒子トラップを用いた3 µmのスチロールおよび2 µmのシリカ粒子の組み合わせにより、定義された対称性と組成を有する2次元格子が形成された。
• 「粒子へのプリント」プロセスにより、市販のフォトリソグラフィー感光剤（IP-LおよびIP-PDMS）を用いて安定したリンク付きコロイド構造が作製され、開発および後焼鈍し工程後も構造が保持された。
• デキストラン-グルコース犠牲層を水に溶解することで収穫が達成され、印刷されたマイクロ構造が損傷を受けることなく完全に解放され、再分散可能であった。
• 本手法は、柔軟（PNIPAM）および硬質（SiO2、PS）粒子、および異なるフォトリソグラフィー感光剤を含む広範な材料に適合可能であり、多様なマイクロ構造設計が可能であることを示した。
• 明-fieldおよび蛍光顕微鏡により、粒子の正常なアセンブリおよびリンク形成が確認され、SEM画像ではサブミクロンスケールで高忠実度の構造的特徴が明確に観察された。