Neue Forschung realisiert die Femtosekunden-Laserbearbeitung von Mikromaschinen mit mehreren Gelenken

Das Team von Wu Dong, Professor am Micro and Nano Engineering Laboratory der University of Science and Technology of China (USTC), schlug eine Verarbeitungsstrategie für das Schreiben mehrerer Materialien mit einem Femtosekundenlaser 2--1 vor stellten mikromechanische Gelenke her, die aus temperaturempfindlichen Hydrogelen und Metallnanopartikeln bestehen, und entwickelten anschließend mehrgelenkige humanoide Mikromaschinen mit mehreren Verformungsmodi (>10). Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
In den letzten Jahren wurde die Femtosekundenlaser-Zwei-Photonen-Polymerisationstechnologie in großem Umfang zur Herstellung von Mikrostrukturen mit verschiedenen Funktionen als echte dreidimensionale Verarbeitungsmethode mit Nanometergenauigkeit eingesetzt. Diese Mikrostrukturen zeigen vielversprechende Anwendungen in den Bereichen Mikro- und Nanooptik, Mikrosensorik und Mikromaschinensysteme. Allerdings ist es immer noch eine Herausforderung, die Verarbeitung mehrerer Materialien mit Femtosekundenlasern zu realisieren und Mikro-Nano-Maschinen mit Multimodalitäten weiter zu konstruieren.
Zu den Zwei-in-Eins-Verarbeitungsstrategien mit Femtosekundenlasern gehören der Aufbau von Hydrogelverbindungen mittels asymmetrischer Zwei-Photonen-Polymerisation und die Laserreduktionsabscheidung von Silbernanopartikeln in lokalisierten Bereichen der Verbindungen. Insbesondere führt die asymmetrische Photopolymerisation zu einer Anisotropie der Vernetzungsdichte im lokalen Bereich des Hydrogel-Mikrogelenks, was letztlich richtungs- und winkelgesteuerte Biegeverformungen ermöglicht. Die reduktive In-situ-Laserabscheidung ermöglicht die präzise Verarbeitung von Silbernanopartikeln auf Hydrogelverbindungen. Diese Silbernanopartikel verfügen über einen starken photothermischen Umwandlungseffekt, wodurch die Modusumschaltung der Mehrgelenk-Mikromaschinen eine ultrakurze Reaktionszeit (30 ms) und eine extrem niedrige Antriebsleistung aufweist (<10 mW).
Als typisches Beispiel wurden acht Mikrogelenke in eine humanoide Mikromaschine integriert. Anschließend nutzten die Forscher räumliche Lichtmodulation, um einen multifokalen Strahl im 3D-Raum zu erzeugen, der wiederum jedes Mikrogelenk präzise stimulierte. Die synergistische Verformung zwischen mehreren Gelenken veranlasste die humanoide Mikromaschine, mehrere rekonfigurierbare Verformungsmodi auszuführen. Letztendlich „tanzt“ die humanoide Mikromaschine auf der Mikrometerskala.
Im Proof-of-Concept kann der zweigelenkige Mikromanipulator durch die Gestaltung der Verteilungs- und Verformungsrichtung der Mikrogelenke mehrere Mikropartikel in die gleiche und unterschiedliche Richtungen sammeln. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Femtosekundenlaser-Zwei-in-Eins-Verarbeitungsstrategie verformbare Mikroverbindungen im lokalen Bereich verschiedener 3D-Mikrostrukturen konstruieren und so mehrere rekonfigurierbare Verformungsmodi realisieren kann.
Den Forschern zufolge werden Mikromanipulatoren mit mehreren Verformungsmodi vielversprechende Anwendungen bei der Sammlung von Mikrogütern, der mikrofluidischen Manipulation und der Zellmanipulation zeigen.