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Dialogo del 29 agosto 2023

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di Mangirdas Malinauskas

La litografia multifotone (MPL) è una tecnica che utilizza impulsi laser ultracorti per creare strutture tridimensionali (3D) complesse su scala micro e nanometrica. Si basa sul principio dell'assorbimento multifotone (MPA), che si verifica quando due o più fotoni vengono assorbiti simultaneamente da una molecola, dando luogo a un processo ottico non lineare.

Focalizzando il raggio laser su un materiale fotosensibile, come un fotoresist o un prepolimero, l'assorbimento multifotone induce una reazione chimica localizzata che modifica le proprietà del materiale. Scansionando il raggio laser e/o traslando il campione in tre dimensioni, la forma desiderata può essere fabbricata con alta risoluzione e precisione senza alcuna restrizione geometrica. Ciò consente la realizzazione della nanostampa laser 3D come tecnica di produzione additiva.

MPL ha già numerose applicazioni in campi quali la microottica, i dispositivi nanofotonici, i metamateriali, i chip integrati e l'ingegneria dei tessuti. Può creare strutture impossibili o difficili da ottenere con i metodi litografici convenzionali, come superfici curve, strutture cave e gradienti funzionali. Può anche consentire la fabbricazione di nuovi materiali con proprietà ottiche, meccaniche e biologiche personalizzate.

Nonostante le configurazioni MPL siano disponibili in commercio, la comprensione dei meccanismi fotofisici e fotochimici è ancora controversa, poiché le sorgenti laser più comuni vengono scelte per avere una lunghezza d'onda di 800 nm mentre anche altre popolari di 515 nm o 1.064 nm si sono dimostrate adatte.

Tuttavia, la teoria unica e più popolare dell’assorbimento di due fotoni non può essere applicata per spiegare tutte le diverse condizioni sperimentali e il risultato prodotto. Questo problema è importante per l’ulteriore sviluppo delle sorgenti laser e la costruzione di macchine per nanostampa 3D ad alto rendimento orientate alle esigenze industriali.

Abbiamo studiato la MPL, ampiamente conosciuta anche come polimerizzazione a due fotoni (2PP) o semplicemente nanostampa laser 3D, utilizzando un laser a femtosecondi regolabile in lunghezza d’onda. Abbiamo scoperto che potremmo usare qualsiasi colore dello spettro da 500 a 1.200 nm con un'ampiezza di impulso fissa di 100 fs per ottenere un'interazione di meccanismi fotofisici più delicata della semplice fotopolimerizzazione a due fotoni.

Abbiamo valutato l'ordine effettivo di assorbimento, ovvero l'assorbimento dei fotoni X, nonché le condizioni di esposizione ottimali per il prepolimero SZ2080 fotosensibilizzato e puro. Abbiamo scoperto che la possibilità di regolazione della lunghezza d'onda ha influenzato notevolmente la finestra di fabbricazione dinamica (DFW), risultando in un aumento di 10 volte quando ottimizzato.

Inoltre, abbiamo osservato una deposizione di energia non banale mediante l'assorbimento di fotoni X con l'inizio di un forte aumento delle dimensioni laterali a lunghezze d'onda maggiori e abbiamo spiegato che era dovuto al raggiungimento di condizioni epsilon-vicino allo zero (ENZ). Un tale controllo sulle proporzioni dei voxel e, di conseguenza, sul volume fotopolimerizzato, può aumentare l’efficienza della nanostampa 3D.

Abbiamo anche studiato l'evoluzione del volume polimerizzato durante la scrittura laser diretta (DLW) attraverso diversi meccanismi di erogazione di energia: assorbimento di uno/due/tre fotoni, ionizzazione a valanga e diffusione termica che porta alla fotopolimerizzazione controllata. Abbiamo dimostrato che la nanolitografia 3D con impulsi ultracorti in un ampio intervallo spettrale dal visibile al vicino IR di 400-1.200 nm procede tramite eccitazione multifotone definita dall'ordine effettivo di assorbimento. La nostra ricerca è pubblicata sulla rivista Virtual and Physical Prototyping.