Tweefotonlithografie: 3D-printen op nanoschaal met licht
Stel je een 3D-printer voor die geen plastic draadjes smelt, maar met een piepklein, extreem precies stipje licht een object beeldhouwt in een druppel vloeibare hars. Dat stipje is zo klein dat je er structuren mee kunt maken die kleiner zijn dan een rode bloedcel, met details van minder dan een duizendste millimeter. Dat is in essentie tweefotonlithografie: een techniek waarmee onderzoekers en bedrijven ingewikkelde driedimensionale vormen printen op een schaal waar gewone 3D-printers, en zelfs de meeste chipfabricagetechnieken, niet bij kunnen.
De naam klinkt technisch, maar de kerntruc is te vergelijken met een vergrootglas dat zonlicht bundelt tot één brandpunt: alleen precies dáár, waar de lichtstraal het smalst en intenst is, gebeurt er iets. Bij tweefotonlithografie is dat 'iets' een chemische reactie die vloeibare hars in vaste kunststof verandert, maar uitsluitend op de plek waar twee lichtdeeltjes (fotonen) elkaar op exact hetzelfde moment treffen. Door dat brandpunt met een computergestuurd systeem langs een driedimensionaal pad te bewegen, ontstaat laag voor laag, punt voor punt, een compleet 3D-object binnenin de hars — zo klein dat het met het blote oog niet te zien is.
Wat is het precies?
Gewone lithografie, de techniek waarmee ook computerchips worden gemaakt, projecteert licht op een lichtgevoelige laag (fotoresist) via een patroon, vergelijkbaar met een diaprojector. De scherpte van dat patroon wordt beperkt door de golflengte van het licht: dit heet de diffractielimiet, een natuurkundige ondergrens voor hoe klein je met licht kunt tekenen. Tweefotonlithografie omzeilt dit probleem met een truc uit de kwantummechanica.
Normaal gesproken absorbeert een molecuul in de hars één foton en dat levert net genoeg energie op om een reactie te starten. Bij tweefotonlithografie gebruikt men fotonen met de hálve benodigde energie, zodat er niets gebeurt zolang er maar één foton per keer arriveert. Alleen op de allerkleinste plek waar de laserstraal het dichtst gebundeld is — het brandpunt — is de lichtdichtheid zo hoog dat een molecuul bij toeval twee fotonen vrijwel gelijktijdig absorbeert. Pas dan is er genoeg energie voor de reactie. Dit verschijnsel, tweefotonabsorptie, werd al in 1931 theoretisch voorspeld door de Duits-Amerikaanse natuurkundige Maria Göppert-Mayer in haar proefschrift, lang voordat er lasers bestonden om het waar te nemen.
Het praktische gevolg is dat de polymerisatie (het hardingsproces) zich beperkt tot een piepklein volume-elementje, een 'voxel' (een 3D-pixel), vaak niet groter dan honderd nanometer — zo'n duizend keer dunner dan een mensenhaar. Door dat voxel systematisch te verplaatsen met spiegeltjes of een bewegend platform, 'tekent' de laser een compleet 3D-object in de hars, zonder dat er tussenlagen of maskers nodig zijn zoals bij chipproductie. Na het printen wordt de ongebruikte, nog vloeibare hars weggewassen (ontwikkelen genoemd) en blijft alleen het geharde 3D-object over.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is simpel te formuleren, maar moeilijk te realiseren: driedimensionale objecten maken met de precisie van de nanotechnologie én de vormvrijheid van 3D-printen. Klassieke halfgeleiderlithografie is extreem precies, maar werkt vlak, laag voor laag, en is vooral geschikt voor platte chipstructuren. Reguliere 3D-printers zijn wel vrij in vorm, maar hun resolutie ligt al snel op tientalÂlen tot honderden micrometers — veel te grof voor optische of medische microcomponenten.
Tweefotonlithografie belooft het beste van beide werelden: complexe, vrije 3D-geometrieën met kenmerken op nanometerschaal. Dat opent de deur naar componenten die voorheen simpelweg niet te maken waren, zoals miniatuurlenzen die kleiner zijn dan een zoutkorrel, poreuze structuren die precies nabootsen hoe cellen zich in lichaamsweefsel gedragen, of kunstmatige materialen met optische eigenschappen die in de natuur niet voorkomen (zogeheten metamaterialen). Onderzoekers zien de techniek vooral als een brug tussen microtechnologie en nanotechnologie: klein genoeg voor nanoschaal-precisie, maar met objectÂafmetingen die nog behapbaar zijn voor praktisch gebruik.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste demonstraties kwam in 2001 van de Japanse onderzoeksgroep van Satoshi Kawata aan de Universiteit van Osaka, gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Zij printten een microscopisch stierbeeldje — de 'nanobull' — van ongeveer tien micrometer lang, met details ruim onder de honderd nanometer. Het beeldje paste tientallen keren binnen de diameter van een mensenhaar en gold destijds als bewijs dat de techniek de diffractielimiet daadwerkelijk kon doorbreken.
Sindsdien is de techniek gecommercialiseerd. Het Duitse bedrijf Nanoscribe, voortgekomen uit onderzoek aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), bouwt printers die inmiddels in honderden onderzoekslaboratoria wereldwijd staan en die sinds enkele jaren onderdeel zijn van het Zweedse biotechÂconcern BICO Group. Aan diezelfde universiteit, KIT, is ook onderzoek gedaan naar 'fotonische wire bonding': met tweefotonlithografie printen onderzoekers piepkleine, gebogen lichtgeleiders die glasvezels precies uitlijnen met de lichtpoorten op een chip, iets wat met traditionele montagetechnieken lastig is.
Aan de Universiteit Stuttgart is met dezelfde techniek geëxperimenteerd met het rechtstreeks printen van microscopische lenzen op het topje van een glasvezel, met als doel ultradunne endoscopen en beeldsensoren te maken die door een injectienaald passen. Aan de TU Wien in Oostenrijk wordt de techniek ingezet voor weefselkweek: onderzoekers printen poreuze steigerstructuren (scaffolds) waarop levende cellen kunnen groeien, met poriegroottes die zijn afgestemd op het gedrag van specifieke celtypes. En in de metamaterialenwereld gebruiken groepen zoals die van Martin Wegener aan het KIT tweefotonlithografie om driedimensionale, spiraalvormige of doolhofachtige nanostructuren te printen die licht op ongebruikelijke manieren buigen — fundamenteel onderzoek dat onder meer bijdraagt aan het begrip van zogenoemde optische metamaterialen.
Hoe ver is de techniek?
Tweefotonlithografie is geen labcuriositeit meer: commerciële systemen zijn al zo'n vijftien tot twintig jaar op de markt, naast Nanoscribe bijvoorbeeld ook van het Oostenrijkse UpNano en het Litouwse Femtika. Universiteiten en onderzoeksinstellingen gebruiken de apparatuur routinematig om prototypes van micro-optiek, sensoren en biomedische structuren te maken.
De belangrijkste hobbel is snelheid. Omdat het brandpunt van de laser het object letterlijk punt voor punt moet 'natekenen', kost het printen van een object met een substantieel volume al snel uren, wat de techniek ongeschikt maakt voor massaproductie in de huidige vorm. Onderzoekers proberen dit te versnellen door meerdere brandpunten tegelijk te gebruiken (parallellisatie), door met speciale lichtmodulatoren hele patronen in één keer te belichten in plaats van punt voor punt, en door zogeheten grijswaardenÂlithografie, waarbij de belichtingsdosis varieert zodat gladde, geleidelijke vormen ontstaan in plaats van alleen aan/uit-structuren.
Een tweede beperking is het materiaal: het proces werkt vrijwel uitsluitend met specifieke lichtgevoelige harsen (fotoresists), meestal op basis van acrylaten of epoxides. Er wordt gewerkt aan varianten die na het printen tot keramiek of glas kunnen worden omgezet, maar het beschikbare materialenpalet is nog altijd veel beperkter dan bij conventionele 3D-printtechnieken. Voor onderzoek en kleinschalige, hoogwaardige toepassingen — denk aan fotonica en medische microcomponenten — is de techniek inmiddels volwassen; voor grootschalige, goedkope productie is nog vooruitgang nodig.
Wie werken eraan?
Duitsland speelt een centrale rol, met het Karlsruhe Institute of Technology als een van de academische bakermatten van de techniek en Nanoscribe als belangrijkste commerciële leverancier van apparatuur. Oostenrijk is eveneens prominent aanwezig, met onderzoek aan de TU Wien en het bedrijf UpNano, dat daar als spin-off is ontstaan. In Litouwen, een land met een sterke lasertraditie, is Femtika actief, mede voortgekomen uit onderzoek aan de Universiteit van Vilnius.
Japan geldt als bakermat van de vroege wetenschappelijke doorbraken, met name via het werk van Satoshi Kawata en collega's aan de Universiteit van Osaka. Ook in de Verenigde Staten, onder meer aan het MIT en Caltech, lopen onderzoeksgroepen die de techniek verder ontwikkelen voor toepassingen in fotonica en biomedische technologie. Daarnaast raakt de halfgeleider- en fotonica-industrie geïnteresseerd, vooral voor het precies koppelen van glasvezels aan chips — een niche waar traditionele chipfabricage tekortschiet.