[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种名为'在粒子上打印'的混合方法，结合双光子直接激光写入（DLW）与毛细管辅助粒子组装（sCAPA），用于制造多材料微结构。通过使用DLW在粒子组装中创建三维模板，并利用商用光刻胶在粒子间打印定制连接结构，作者实现了可编程、可重构的一维和二维胶体晶格，其具有可调对称性、组成和几何结构，从而实现复杂且可再分散的微结构，适用于微机器人和超材料领域。

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.

研究动机与目标

• 解决在复杂微尺度结构中高空间精度集成多种不同材料（尤其是有机与无机、软与硬材料）的挑战。
• 克服传统3D打印的局限性，后者限制了材料选择，并缺乏对多材料定位的微米级控制。
• 利用直接3D打印的设计灵活性与胶体粒子组装的可扩展性，构建复杂且可重构的微结构。
• 利用市售光刻胶实现定制化胶体晶格与簇的制造，其具有明确的对称性、组成和几何结构。
• 开发可收获、可再分散的工艺，以实现对打印微结构的后期操控与重复利用。

提出的方法

• 使用双光子直接激光写入（DLW）制造三维主模，其具有精确形状的微陷阱，用于毛细管组装胶体粒子。
• 采用毛细管辅助粒子组装（sCAPA）将微粒子（如聚苯乙烯、二氧化硅、PNIPAM微凝胶）精确沉积到DLW制造的陷阱中，实现受控定位与对称性。
• 通过第二次DLW工艺实现'在粒子上打印'——沉积并固化光刻胶（IP-L或IP-PDMS），将组装的粒子连接成稳定、复杂的1D或2D结构。
• 利用自动粒子识别算法引导粒子间打印连接的精确定位，实现可定制的胶体架构。
• 通过PDMS模板将组装并打印的结构转移至葡聚糖-葡萄糖牺牲层上，实现通过水溶解轻松收获。
• 采用标准后处理步骤：在PGMEA/IPA中显影、紫外后固化，以及临界点干燥，用于SEM和光学成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 双光子直接激光写入与毛细管组装能否结合实现亚微米尺度的精确、多材料微结构制造？
• RQ2 该方法在多大程度上能够实现将不同材料（如软微凝胶与硬无机颗粒）整合到单一、稳定且可重构的微结构中？
• RQ3 '在粒子上打印'过程能否实现自动化并推广至不同类型的粒子和光刻胶材料？
• RQ4 该打印微结构在溶液中能否高效地被收获和再分散，以适用于下游应用？
• RQ5 使用该混合方法，在一维和二维胶体晶格中可实现的结构复杂度与对称性控制程度如何？

主要发现

• 该方法成功利用DLW制造的陷阱，实现了2 µm聚苯乙烯与2 µm PNIPAM微凝胶的180°三粒子簇，具有高空间精度。
• 通过结合单粒子陷阱用于3 µm聚苯乙烯与2 µm二氧化硅粒子，形成了具有明确对称性与组成的二维阵列。
• '在粒子上打印'工艺成功利用商用光刻胶（IP-L与IP-PDMS）制造了稳定连接的胶体结构，且在显影与后固化后结构保持完整。
• 通过水溶解葡聚糖-葡萄糖牺牲层实现收获，成功实现微结构的完全释放与再分散，且无损伤。
• 该方法与多种材料兼容，包括软质（PNIPAM）和硬质（SiO2、PS）粒子，以及不同光刻胶，实现了多功能微结构设计。
• 明场与荧光显微镜证实了粒子的成功组装与连接，SEM成像显示了亚微米尺度的高保真结构特征。