Hur funktionella färgämnen kan förbättra ljusaktiverad 3D-utskrift och skapa smarta material

Genom att blanda de tre primära färgerna kan man skapa formuleringar som avger vitt ljus. Andra fotoluminescerande färgämnen har använts för att tillverka högteknologiska enheter, som t.ex. vågledare. Användningen av metakrylat-benzoxadiazol som ett smart färgämne i akrylförmedlingar har också rapporterats. I denna forskning undersöktes både objektenas tryckbarhet och deras ljusemitterande egenskaper, vilket lyfte fram en nödvändig avvägning för att uppnå både precisa strukturer och effektiv ljusemission. Vidare visade dessa enheter sig vara användbara i polaritetssensorer, eftersom ljusemissionen förändrades när de interagerade med olika lösningsmedel.

Andra tillämpningar av färgämnen i 3D-utskrift omfattar skapandet av färgmetriska basdetektorer för att analysera både vätskor och gaser, som visat sig vara effektiva för detektion genom halokromiska kärnsubstituerade naphtalenediimider. En intressant aspekt av dessa strukturer är deras användbarhet i både vätske- och gasanalys, vilket breddar användningsområdena för sådana material.

I andra tillämpningar har färgämnen använts för att skapa mekanoforer i polymera material, vilket innebär att materialet förändrar sin färg när det utsätts för mekanisk stress. Mechanochromiska färgämnen är en klass av kromoforer som är kända för att ändra färg under mekanisk stress, vilket har lett till skapandet av sådana material med hjälp av hydroxyetylakrylat och oxanorbornadien. DLP-utrustning som sänder ut ljus i det synliga spektrumet har använts för att förbereda proverna för att undvika nedbrytning av färgämnena, vilket är viktigt för att behålla materialets prestanda. Den mekaniska stressen (kompression) som applicerades på proverna orsakade kemiska förändringar i struktur, vilket medförde en förändring i färgen och en modifiering av materialets interna struktur.

Vidare har gruppen Butt arbetat med funktionella färgämnen på kontaktlinser för att utveckla smarta enheter. De fokuserade på att använda färgämnen för att korrigera färgblindhet i medicinska enheter, genom att använda kommersiella färgämnen som Atto565 och Atto488. Dessa fotoluminescerande färgämnen, som var inbäddade i fotohärdande hartser och direkt utskrivna på kommersiella linser, kan hjälpa till att förbättra synen för personer med vissa typer av färgblindhet.

Dessa exempel visar tydligt på möjligheten att skapa funktionella material genom att kombinera SLA/DLP-tekniker med olika färgämnen. Trots att användningen av färgämnen i den senaste ljusaktiverade teknologin, TPP (Two-Photon Polymerization), är ovanlig, har vissa arbeten som presenterar användningen av smarta färgämnen i TPP ändå föreslagits. Färganvändning i denna teknik kan vara mer komplicerad, eftersom TPP:s multi-fotonpolymerisation redan säkerställer upplösningar ner till nanometerskala, vilket gör användningen av färgämnen onödig enligt många. Det finns dock exempel på forskning där diakrylat-azo färgämnen har förberetts och deras trans/cis-fotoisomerisering vid härdning i närvaro av MMA (metylmetakrylat) har testats för användning i TPP. I sådana fall har stora och buliga grupper introducerats i färgämnenas struktur för att förbättra lösligheten och förhindra aggregation av färgämnen under utskriften av fotoniska kristaller.

Användningen av coumariner i TPP har också varit en framgång, särskilt för att minska mängden fotoinitiator och därmed reducera mängden oreaktiva restprodukter efter polymerisation. Genom att tillsätta olika substituentgrupper på coumarinmolekyler för att utöka konjugationen och täcka det synliga spektrumet, kan man förbättra fotosensitiserareffekten och därmed reducera koncentrationen av fotoinitiator. I detta sammanhang har det varit möjligt att uppnå bra utskriftsupplösning, samtidigt som man bibehållit möjligheten att använda färgämnen utan att förlora detaljrikedomen i utskriften.

Hur Bischalkon- och Kummerinderivat Kan Förbättra Fotoninitiering i 3D-Skrivning

Vid användning av dessa bischalkoner i fotopolymerisationen av PEGDA 400, särskilt under belysning med LED-ljus vid 405 nm, uppnåddes konversioner på upp till 99%, vilket överträffade konversionerna som uppnåddes med kommersiella fotoinitiatorer som TPO (trifenylofosfinoxid). Detta resultat tyder på att bischalkoner inte bara är mer effektiva fotoinitiatorer än TPO, utan de erbjuder också fördelar när det gäller migration. De stora molekylstorlekarna hos bischalkonerna resulterar i migrationskvoter som varierar mellan 0,26% och 5,52%, vilket är betydligt lägre än för TPO, som visade en migration på 4,3% vid samma förhållanden.

En av de mest utmärkande fördelarna med bischalkoner är deras förmåga att minska migration i den fotoiniterade polymeren. I jämförelse med TPO, som har en högre migrationskvot och sämre konversion, har bischalkonerna visat sig vara mer effektiva i att minska oönskad spridning av fotoinitiatorn i det polymeriserade materialet. Detta är särskilt viktigt för applikationer som kräver hög precision och minimal påverkan på omgivande material, såsom inom 3D-utskrift där detaljrikedom och exakt formgivning är avgörande.

Därmed, när bischalkoner används som fotoinitiatorer, ger de inte bara bättre polymerisationshastigheter utan även ett mer hållbart resultat med lägre risk för migration, vilket gör dem till ett mycket lovande alternativ för framtida användningar i fotoinitiatorbaserade formuleringar.

I jämförelse mellan bischalkoner och kumarin-derivat är bischalkoner generellt mer effektiva vid att uppnå höga konversionsnivåer under ljusbestrålning vid 405 nm, medan kumarin-derivaten, särskilt de som är substituerade med olika funktionella grupper, har potentialen att användas för specifika applikationer där en finjustering av ljusabsorption och fotoinitering är nödvändig. Det är dock viktigt att notera att effekten av olika tillsatser (som NPG) kan ha stor inverkan på fotoiniteringsegenskaperna, vilket gör det möjligt att optimera dessa system för specifika behov inom 3D-utskrift och andra fotopolymerisationstekniker.

Vid användning av dessa fotoinitiatorer i 3D-utskriftstekniker, som exempelvis med resiner baserade på bischalkoner eller kumarin-derivat, har det visats att de inte bara möjliggör högkvalitativa utskrifter med exakta kanter och detaljer, utan även möjliggör skapandet av material med unika mekaniska och termiska egenskaper. Detta gör att forskare och ingenjörer kan utveckla nya material för specifika tillämpningar, inklusive formminne och självåterhämtning under påverkan av externa stimuli, vilket kan revolutionera flera industriella och medicinska tillämpningar.

Hur kan flerfärgad ljuspolymerisering förbättra 3D-utskrift?

Inom 3D-utskrift har användningen av grafisk tryckning visat sig kunna övervinna många av de problem som är förknippade med lager-på-lager-metoder. Genom att utnyttja komplexa fotoinitieringssystem kan föremål skrivas ut med släta ytor och på ett sätt som möjliggör högre utskriftshastigheter. En sådan metod involverar användningen av fotoinitiatorer som camphorquinone (CQ) och etyl 4-(dimetylamino)benzoat (EDAB), som arbetar tillsammans med bis[2-(o-klorofenyl)-4,5-difenylimidazol] (o-Cl-HABI) för att reglera polymerisationen av akrylatresin. Här kan blått ljus (458 nm) användas för att initiera polymerisationen, medan UV-ljus (365 nm) hämmar denna process.

En annan lovande metod är lösningsmask-liknande flytande litografi (SMaLL), som möjliggör utskrift av flerkomponentsmaterial utan behovet av rörliga delar. Genom att använda fotokromiska molekyler som fungerar som maskering (lösningsmasker) kan man skapa objekt med hög upplösning och utan lagerdefekter. SMaLL-metoden använder fotoinitiatorer som CQ för att inducerar både radikal och kationisk polymerisation vid specifika ljusvåglängder, exempelvis blått ljus (470 nm) och grönt ljus (530 nm). Genom att utnyttja denna dual-ljusmetod kan 3D-objekt tillverkas med olika mekaniska egenskaper, vilket möjliggör skapandet av material med både styva och flexibla delar i ett och samma objekt. Ett exempel på detta är en biinspirerad fjärilsdesign, där de flexibla lederna i vingarna kan böjas medan kroppen och vingarna förblir stela, vilket ger en intressant demonstration av de mekaniska fördelarna med denna metod.

MASC-metoden har också visat stor potential för 4D-utskrift, där materialets förmåga att svälla eller förändras i dimensioner vid kontakt med vatten eller lösningsmedel kan användas för att skapa aktiva objekt. Detta kan vara användbart i tillverkning av multimaterialaktorer som reagerar på externa stimuli och kan användas i en rad olika applikationer, från medicintekniska tillämpningar till robotteknik och smarta material.

För att verkligen förstå potentialen hos dessa avancerade 3D-utskriftsmetoder är det viktigt att erkänna den betydelse som fotopolymerisation och användningen av flervåglängdsljus har i materialdesignen. Genom att kombinera olika ljuskällor och fotoinitiatorer kan man uppnå en nivå av precision och mångfald i de material som skapas, vilket tidigare varit svårt att åstadkomma med traditionella enskilda fotoinitieringssystem. Teknikerna som beskrivs här ger en inblick i framtiden för 3D-utskrift, där komplexa och funktionellt varierande material kan skapas i en och samma utskriftscykel. Denna typ av avancerad 3D-utskrift kommer utan tvekan att spela en avgörande roll för utvecklingen av skräddarsydda produkter och material med specifika egenskaper.

Hur femtosekundlaser kan revolutionera tredimensionell nanotryckning och funktionella material

Femtosekundlaserbaserad 3D-nanotryckning, även kallad tvåfotonpolymerisering (TPL), är en kraftfull teknik för tillverkning av mikro- och nanoskaliga strukturer med hög precision. Genom att använda laserljus med extremt korta pulser kan man skapa komplexa tredimensionella strukturer i en mängd olika material, inklusive polymert material, hydrogeler och metamaterial. Tekniken öppnar dörrarna för nya möjligheter inom bland annat medicinsk teknologi, materialvetenskap och robotik, där exakt kontroll av mikrostrukturernas egenskaper är avgörande.

Hydrogeler är ett exempel på material som har fått stor uppmärksamhet för sina unika egenskaper. Genom att modifiera dem med olika kemiska grupper, såsom hyaluronsyra eller metakrylamid, kan man förbättra deras stabilitet och biokompatibilitet, vilket är av största vikt i vävnadsingenjörs- och medicinska tillämpningar. Exempelvis har PEGDA (polyetylenglykol diakrylat) scaffolds använts för att skapa strukturer som svarar på förändringar i fuktighet, vilket är ett steg mot att efterlikna biologiska vävnader och förbättra implantat och proteser.

Femtosekundlaser och TPL erbjuder även en unik möjlighet att skapa funktionella material med helt nya mekaniska egenskaper. Genom att simulera och sedan tillverka specifika strukturer har forskare kunnat designa material som uppvisar metamaterialegenskaper. Ett exempel på detta är användningen av så kallade pentamodemetamaterial, som kan användas för att skapa "osynliga" skyddande kapper, eller till och med elastiska material med förmågan att vrida sig under belastning.

En annan intressant utveckling är tillverkningen av mikrorobotar som kan leverera läkemedel till specifika delar av kroppen eller till och med utföra uppgifter i hårtillgångliga områden. Genom att kombinera TPL med funktionella material har man lyckats skapa mikrostrukturer som svarar på förändringar i omgivningen, som temperatur eller ljus. Denna typ av material kan användas för att styra läkemedelsfrisättning i realtid, vilket innebär att robotarna kan reagera på fysiologiska förändringar och anpassa sig för att ge mer exakt och effektiv behandling.

Det är viktigt att förstå att dessa teknologier inte bara handlar om att skapa nya material, utan också om att förstå och kontrollera de mekaniska och fysiska egenskaperna hos de skapade strukturerna. Forskning inom området femtosekundlaserbaserad tillverkning har visat att genom att justera parametrarna för materialets struktur kan man påverka dess styvhet, hållfasthet och responsivitet på externa stimuli. Till exempel har det visats att materialets relativa densitet är en avgörande faktor för dess styrka och elasticitet, vilket innebär att det finns ett stort potential att finjustera materialets egenskaper för specifika tillämpningar.

En annan viktig aspekt är integrationen av simulering och tillverkning, där forskare har använt simuleringstekniker som COMSOL Multiphysics för att förutsäga och optimera materialets beteende innan det faktiskt tillverkas. Denna kombination av simulering och experimentell tillverkning gör det möjligt att skapa material med mycket specifika och förutsägbara egenskaper, vilket är en viktig utveckling för att realisera kommersiella och industriella tillämpningar.

Slutligen bör det noteras att även om dessa teknologier har stor potential, så finns det fortfarande många tekniska och praktiska utmaningar att övervinna. En av de största utmaningarna är att uppnå högre tillverkningseffektivitet och snabbare produktionshastigheter, särskilt när det gäller tillverkning av mikrorobotar eller andra funktionella enheter. För att denna teknik ska kunna tillämpas på industrinivå behöver forskare hitta sätt att göra processerna mer effektiva och kostnadseffektiva.

Hur nya fotoinitiatorsystem förändrar 3D-utskriftsprocesser och fotopolymerisering

I takt med den ständigt växande utvecklingen inom 3D-utskrift och fotopolymerisering, har nya fotoinitiatorsystem (PIS) blivit ett viktigt ämne för forskning och industriella tillämpningar. Särskilt intresset har riktats mot organiska och metallbaserade fotoinitiatorer som kan utnyttjas vid polymerisation av material som Bis-GMA/TEGDMA och EPOX, vilka används för att skapa högupplösta tredimensionella strukturer. Dessa fotoinitiatorsystem är avgörande för att möjliggöra kontrollerad polymerisering med hög precision, och deras effektivitet är nära kopplad till ljusabsorberande egenskaper hos de specifika föreningarna.

En viktig aspekt av moderna PIS är förmågan att minska HOMO-LUMO-gapet, vilket gör att systemet kan reagera på ljus i synligt eller nära UV-område. Genom att justera koncentrationen av specifika fotoinitiatorer som [2DPP1NA-Iod2]CTC och [DMAPDP-Iod2]CTC, har forskare observerat förbättrade fotopolymeriseringsegenskaper, där systemet vid låga koncentrationer kan uppnå högre effektivitet än konventionella initiatorer. Detta har visat sig vara särskilt användbart i laser-skrivarexperiment där mönstren skapas med mycket små marginaler, vilket bidrar till förbättrad upplösning i 3D-skriverapplikationer.

Bland de mest framträdande material för fotoinitiatorer finns metallkomplex som zinktetrafenylporfyrin (ZnTPP), som har visat sig vara effektiv vid användning av ljus vid 420 nm och 552 nm. Dessa fotoinitiatorer har förmågan att initiera polymerisation under blått och grönt ljus, och deras applicering inom 3D-utskrift har också testats framgångsrikt. Genom att använda olika LED-ljuskällor för att exciterar ZnTPP/Iod har forskare kunnat inducera polymerisation av Bis-GMA/TEGDMA och EPOX med hög effektivitet, särskilt vid användning av LED@477 nm, vilket resulterade i en polymerisation av metakrylatbindningar under en kortare tid.

Vidare har Cu(I) komplex också undersökts för sina fotoinitiatoriska egenskaper, och olika kopparkomplex har visat lovande resultat när det gäller att initiera polymerisationer. Dessa system kan erbjuda nya vägar för att utveckla ännu mer effektiva och anpassningsbara initiatorer för både traditionell fotopolymerisering och för nya tillämpningar som biokompatibla 3D-utskriftsmaterial.