Micro y nanofabricación
Fotopolimerización
La fotopolimerización inducida por láser, o litografía/escritura láser directa, forma nanoestructuras 3D en resinas fotosensibles.
Presentación del producto
¿Qué es la fotopolimerización?
La fotopolimerización es un proceso de fabricación aditiva utilizado para fabricar micro- y nanoestructuras 3D solidificando de forma selectiva materiales fotosensibles mediante luz. Combinada con pulsos láser de femtosegundo estrechamente focalizados, la técnica permite la fabricación directa de estructuras con tamaños de motivo submicrométricos, lo que la hace adecuada para aplicaciones en fotónica, microóptica, microfluídica e ingeniería biomédica. Los avances recientes de la tecnología láser ultrarrápida siguen mejorando el rendimiento de fabricación, la estabilidad del proceso y la accesibilidad de la microfabricación 3D de alta resolución.
El proceso químico
La fotopolimerización es un proceso químico inducido por la luz en el que materiales fotosensibles líquidos se transforman en estructuras poliméricas sólidas. El proceso comienza cuando varios fotones son absorbidos por una molécula de polímero fotosensible, llevándola a un estado excitado que termina por formar un radical. El radical generado participa a continuación en una reacción de polimerización en cadena, que conduce a la reticulación química y a la solidificación del material expuesto. Las regiones no expuestas permanecen líquidas y pueden eliminarse posteriormente durante el revelado, dejando únicamente la estructura fabricada. La fotopolimerización inducida por láser ocurre solo en el interior del foco láser. Esta interacción altamente localizada proporciona un control espacial preciso del proceso de fabricación y permite una verdadera estructuración 3D en el interior de materiales fotosensibles.
¿Qué es la litografía láser directa?
La litografía láser directa (DLL), también denominada escritura láser directa (DLW), es una técnica de fabricación basada en la fotopolimerización localizada iniciada por un haz láser estrechamente focalizado. La DLL escribe estructuras directamente en el interior de un material fotosensible al barrer el foco láser a lo largo de una trayectoria 3D predefinida. Cuando se emplean pulsos láser de femtosegundo ultracortos, la fotopolimerización se inicia habitualmente mediante absorción multifotónica. Dado que la absorción no lineal ocurre solo en el volumen focal donde la densidad de fotones es suficientemente alta, la polimerización permanece confinada a un pequeño volumen 3D conocido como voxel. Al trasladar este voxel a través del material, pueden fabricarse directamente micro- y nanoestructuras de forma libre complejas, sin necesidad de máscaras ni de múltiples etapas de procesado.
Cómo se escribe el proceso
El proceso de fabricación comienza al focalizar pulsos láser de femtosegundo en un material fotosensible. El foco láser se sitúa en la ubicación deseada dentro de la resina, donde la absorción no lineal deposita energía únicamente en el interior del volumen focal. Esta exposición localizada inicia la polimerización en un único voxel, mientras deja el material circundante inalterado. El movimiento sucesivo del foco láser a través del material produce voxels superpuestos que forman estructuras poliméricas continuas. Tras la exposición láser, la muestra se revela eliminando el material no polimerizado, dejando la estructura 3D fabricada.
Mecanismo de fotopolimerización
La fotopolimerización se inicia cuando los fotones son absorbidos por moléculas del material fotosensible, promoviendo estas a un estado electrónico excitado. En las fotorresinas convencionales, esta excitación genera radicales reactivos a través de moléculas de fotoiniciador, que inician a continuación la polimerización en cadena. La red polimérica reticulada resultante forma la estructura sólida que permanece tras el revelado. Los eventos fotoquímicos que conducen a la formación de radicales pueden seguir una multitud de vías que implican distintos estados moleculares, y el rendimiento de radicales puede diferir en consecuencia. Los coeficientes de absorción de dos fotones, de tres fotones y de orden superior también pueden diferir notablemente y exhibir distintas dependencias de la longitud de onda, porque distintos estados moleculares siguen distintas reglas de selección. También se ha demostrado fotopolimerización localizada sin fotoiniciadores, lo que indica que los mecanismos de fotoexcitación subyacentes pueden variar según el sistema fotosensible.
Absorción multifotónica
La fotopolimerización multifotónica se inicia habitualmente mediante absorción de dos fotones en los denominados materiales de umbral. No obstante, el número de fotones absorbidos simultáneamente para excitar una molécula desde el estado fundamental depende tanto del espectro de absorción de la fotorresina como de la longitud de onda de excitación. Cuando la longitud de onda de excitación coincide con el pico de absorción del material, la polimerización procede por absorción de un fotón. Si la longitud de onda de excitación es aproximadamente el doble de la longitud de onda de absorción, puede inducirse absorción de dos fotones, mientras que se espera absorción de tres fotones cuando la longitud de onda de excitación es aproximadamente tres veces más larga. Los pulsos ultracortos son sensibles a la dispersión de retardo de grupo introducida por el sistema óptico, que puede estirar el pulso en el tiempo y reducir su intensidad de pico. Dado que ello disminuye la eficiencia de los procesos multifotónicos, la dispersión del sistema óptico debe compensarse introduciendo un pre-chirp temporal opuesto antes de que el haz láser alcance la muestra.
Formación de estructuras tridimensionales
Dado que la polimerización permanece confinada al volumen focal, el foco láser puede trasladarse a través del material para fabricar geometrías 3D arbitrarias. Los voxels individuales se posicionan de forma secuencial para formar estructuras continuas, mientras que el barrido capa a capa permite la fabricación de objetos que van desde decenas de micrómetros hasta varios milímetros, con resolución de motivos submicrométrica. Las dimensiones de cada voxel fabricado dependen de la intensidad láser, la duración de pulso, la longitud de onda, la apertura numérica de la óptica de focalización, la frecuencia de repetición, la velocidad de traslación y las propiedades del material.
Ventajas de la litografía láser directa
La litografía láser directa permite la fabricación de geometrías 3D difíciles o imposibles de producir con las técnicas de fabricación convencionales. Debido al carácter localizado de la absorción multifotónica, la polimerización permanece confinada al volumen focal del láser, lo que permite tamaños de motivo de hasta aproximadamente 100 nm y, al mismo tiempo, produce estructuras funcionales con dimensiones que van desde decenas de micrómetros hasta varios milímetros. La litografía láser directa también permite escribir estructuras directamente a partir de modelos de diseño asistido por ordenador (CAD). Ello posibilita la prototipación rápida y la flexibilidad de diseño, al tiempo que elimina la necesidad de utillaje dedicado.
Materiales de fotopolimerización
Los materiales fotosensibles empleados en la litografía láser directa difieren en sus propiedades ópticas, químicas y mecánicas. Las fotorresinas convencionales se basan principalmente en resinas acrílicas y epoxídicas. Los polímeros epoxi presentan baja contracción y alta estabilidad estructural, mientras que los acrilatos proporcionan en general una mayor fotosensibilidad, una energía crítica más baja, una viscosidad más baja y propiedades mecánicas controlables. Además de las fotorresinas convencionales de origen petrolífero, se ha prestado una atención creciente a los fotopolímeros obtenidos a partir de recursos renovables. Los aceites vegetales han surgido como precursores poliméricos atractivos; entre ellos, el aceite de soja y el aceite de soja epoxidado acrilatado (AESO) se utilizan ampliamente. Aunque los fotopolímeros basados en AESO ofrecen una alternativa sostenible, sus largas cadenas alifáticas dan lugar a redes poliméricas relativamente blandas, de modo que se añaden habitualmente comonómeros aromáticos —incluido el vanillin dimethacrylate y el vanillin diacrylate de origen vegetal— para mejorar las propiedades mecánicas.
Ámbitos de uso
En fotónica y microóptica, la litografía láser directa se utiliza para fabricar cristales fotónicos, elementos ópticos difractivos, microlentes y otros componentes ópticos que requieren geometrías de forma libre complejas y motivos submicrométricos. La técnica también se emplea para metamateriales y estructuras plasmónicas. La capacidad de fabricar canales cerrados y componentes móviles sin ensamblaje la ha consolidado en la microfluídica y la micromecánica. En ingeniería biomédica, se utiliza ampliamente para fabricar andamiajes para ingeniería de tejidos, estructuras biomiméticas, matrices de microagujas y otros dispositivos biomédicos.
Láseres para la fotopolimerización
La litografía láser directa requiere sistemas láser capaces de entregar pulsos ultracortos estables, con excelente calidad de haz y parámetros de pulso controlados con precisión. Los láseres de femtosegundo CARBIDE y PHAROS proporcionan las altas potencias de pico y media, así como las duraciones de pulso ultracortas requeridas. Su longitud de onda fundamental a 1030 nm, junto con la generación de armónicos a 515 nm y 343 nm, admite la fotopolimerización en una amplia gama de fotorresinas disponibles comercialmente. Para aplicaciones que requieren flexibilidad adicional de longitud de onda, el amplificador paramétrico óptico I-OPA de grado industrial, integrado en la plataforma láser, extiende el intervalo espectral accesible más allá de los armónicos fijos, de modo que la longitud de onda de excitación puede ajustarse a las características de absorción de distintos materiales fotosensibles.
