[논문 리뷰] Printing on Particles: Combining Two-Photon Nanolithography and Capillary Assembly to Fabricate Multimaterial Microstructures

Steven van Kesteren, Xueting Shen외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 04.

Nonlinear Optical Materials Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두광자 직접 레이저 집적법(DLW)과 협착력에 의존하는 입자 어셈블리(sCAPA)를 융합한 '입자 위에 인쇄하기'라는 하이브리드 방법을 소개한다. 이 방법은 정밀한 입자 어셈블리용 3D 템플릿을 DLW로 제작한 후, 상용 광경화성 수지를 사용해 입자 간에 맞춤형 연결 고리를 인쇄함으로써, 조정 가능한 대칭성, 조성 및 기하학적 구조를 가진 재구성 가능하고 재분산 가능한 1차원 및 2차원 콜로이드 격자 구조를 실현한다. 이는 마이크로로봇 및 메타물질 분야에서 복잡한 재분산 가능한 마이크로구조를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 물질, 특히 유기 및 무기, 연질 및 경질 물질을 고공간 해상도로 복잡한 마이크로스케일 구조에 통합하는 데 도전한다.
• 기존 3D 프린팅 기술의 한계를 극복하여, 다재다능한 물질 배치에 대한 마이크로미터 수준의 제어 기능이 부족한 문제를 해결한다.
• 직접 3D 프린팅의 설계 유연성과 콜로이드 입자 어셈블리의 스케일업 가능성을 접목하여, 복잡하고 재구성 가능한 마이크로구조를 제작한다.
• 상용 광경화성 수지를 활용해 정의된 대칭성, 조성 및 기하학적 구조를 가진 맞춤형 콜로이드 격자 및 클러스터를 제작할 수 있도록 한다.
• 후처리 조작 및 재사용이 가능한 수확 가능하고 재분산 가능한 공정을 개발한다.

제안 방법

• 협착력에 의존하는 입자 어셈블리(sCAPA)를 통해 두광자 직접 레이저 집적법(DLW)으로 제작한 3D 마스터를 이용해 콜로이드 입자 어셈블리에 적합한 정밀한 미크로 트랩을 형성한다.
• 협착력에 의존하는 입자 어셈블리(sCAPA)를 활용해, 미크로입자(예: 폴리스티렌, 실리카, PNIPAM 마이크로젤)를 DLW로 제작한 트랩에 정밀하게 위치시키고 대칭성을 제어한다.
• 두 번째 DLW 공정을 통해 '입자 위에 인쇄하기'를 수행—즉, 광경화성 수지(IP-L 또는 IP-PDMS)를 침착하고 경화시켜 어셈블된 입자들을 안정적인 복잡한 1차원 또는 2차원 구조로 연결한다.
• 자동 입자 인식 알고리즘을 활용해 입자 간 정밀한 연결 고리 배치를 유도함으로써, 사용자 정의 가능한 콜로이드 구조를 실현한다.
• PDMS 템플릿를 통해 도파민-포도당 임시 기반층 위로 어셈블리 및 인쇄된 구조물을 이식함으로써, 물에 용해시켜 쉽게 수확할 수 있도록 한다.
• 표준 후처리 단계를 수행한다: PGMEA/IPA 용액에서 개발, UV 후경화, 임계점 건조를 통해 SEM 및 광학 영상 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두광자 직접 레이저 집적법과 협착력 어셈블리의 융합이 0.5 µm 이하의 해상도에서 정밀한 다재다능한 마이크로구조 제작을 가능하게 하는가?
• RQ2 이 방법을 통해 연성 마이크로젤과 경성 무기 입자와 같은 상이한 물질을 하나의 안정적이고 재구성 가능한 마이크로구조에 통합할 수 있는가?
• RQ3 '입자 위에 인쇄하기' 공정이 다양한 입자 종류와 광경화성 수지 재료에 대해 자동화되고 일반화될 수 있는가?
• RQ4 인쇄된 마이크로구조가 용액에서 효과적으로 수확되고 재분산될 수 있는가?
• RQ5 이 하이브리드 방법을 통해 1차원 및 2차원 콜로이드 격자에서 달성 가능한 구조적 복잡성과 대칭성 제어 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• DLW로 제작한 트랩을 이용해 2 µm 폴리스티렌과 2 µm PNIPAM 마이크로젤의 180° 세 입자 클러스터를 고공간 정밀도로 성공적으로 제작하였다.
• 3 µm 폴리스티렌 및 2 µm 실리카 입자에 대한 단일 입자 트랩을 조합하여 대칭성과 조성이 정의된 배열을 형성한 복잡한 2차원 격자를 구현하였다.
• '입자 위에 인쇄하기' 공정을 통해 상용 광경화성 수지(IP-L 및 IP-PDMS)를 사용해 안정적인 연결 콜로이드 구조를 제작하였으며, 개발 및 후경화 공정 후에도 구조가 유지됨을 확인하였다.
• 도파민-포도당 임시 기반층을 물에 용해시켜 수확을 성공적으로 수행하였으며, 손상 없이 전체적으로 재분산 가능한 마이크로구조를 확보하였다.
• 이 방법은 연성(PNIPAM) 및 경성(SiO2, PS) 입자, 다양한 광경화성 수지 재료와 모두 호환되어 다양한 마이크로구조 설계가 가능함을 입증하였다.
• 명료한 현미경 및 형광 현미경 영상로 입자 어셈블리 및 연결 고리 형성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였으며, SEM 영상에서는 0.5 µm 이하의 해상도에서 높은 정밀도의 구조적 특징이 명확히 드러났다.