Imagine una impresora 3D portátil que pueda sostener en la palma de su mano. Este pequeño dispositivo podría permitir al usuario crear rápidamente artículos personalizados y de bajo costo mientras viaja, como un sujetador para reparar una rueda de bicicleta de alta velocidad o un componente para una operación médica importante.
Investigadores del MIT y la Universidad de Texas en Austin dieron un gran paso para hacer realidad esta idea al demostrar la primera impresora 3D basada en chips. Su dispositivo de prueba de concepto consiste en un único chip fotónico de escala milimétrica que emite rayos de luz reproducibles en un pozo de resina que se solidifica cuando la luz incide sobre él.
El prototipo de chip no tiene partes móviles, sino que depende de una serie de pequeñas antenas ópticas para dirigir el haz de luz. El haz se proyecta en una resina líquida diseñada para curar rápidamente cuando se expone a las longitudes de onda de luz visibles del haz.
Al combinar la fotónica del silicio y la fotoquímica, el equipo de investigación interdisciplinario pudo demostrar un chip que puede dirigir rayos de luz para imprimir en 3D patrones bidimensionales arbitrarios, incluidas las letras MIT. Las formas se pueden crear completamente en segundos.
A largo plazo, imaginan un sistema en el que un chip fotónico se asienta en el fondo de un pozo de resina y emite un holograma 3D de luz visible, lo que permite una rápida precisión de un objeto completo en un solo paso.
Este tipo de impresora 3D portátil podría tener muchas aplicaciones, como permitir a los profesionales médicos crear componentes para dispositivos médicos hechos a medida o permitir a los ingenieros crear rápidamente prototipos en el lugar de trabajo.
“Este sistema replantea por completo lo que es una impresora 3D. Ya no es una gran caja colocada sobre una mesa de laboratorio, sino algo portátil y portátil. Es emocionante pensar en las nuevas aplicaciones que podrían surgir y en cómo el campo “La impresión 3D podría cambiar”, dijo la autora principal Jelena Notaros, Robert J. Shulman de la carrera de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS). Profesora de Desarrollo y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica.
Junto a Notaros en el artículo se encuentra Sabrina Corsetti, autora principal y estudiante de posgrado de EECS. Malika Notaros PhD ’23; Tal Sania, estudiante de posgrado de EECS; Alex Safford, recién graduado de la Universidad de Texas en Austin; y Zak Page, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química de UT Austin. La investigación muestra hoy Ciencia y aplicaciones de la luz natural.
Imprimir con un chip
Los especialistas en fotónica de silicio, el Grupo Notaros, desarrollaron anteriormente sistemas ópticos integrados en fase que dirigen haces de luz utilizando una serie de antenas a microescala fabricadas en un chip mediante un proceso de fabricación de semiconductores. Al acelerar o retrasar la señal óptica a ambos lados del conjunto de antenas, pueden desplazar el haz de luz emitido en una dirección específica.
Estos sistemas son clave para los sensores lidar, que mapean su entorno emitiendo haces de luz infrarroja que rebotan en los objetos cercanos. Recientemente, el grupo se ha centrado en sistemas que emiten y manipulan luz visible para aplicaciones de realidad aumentada.
Se preguntaron si un dispositivo de este tipo podría usarse para una impresora 3D basada en chips.
Casi al mismo tiempo que comenzaron a intercambiar ideas, el grupo de Page en UT Austin demostró resinas especiales que podían curarse rápidamente utilizando longitudes de onda de luz visible por primera vez. Esta fue la pieza faltante que hizo realidad la impresora 3D basada en chips.
“Con las resinas fotocurables, es muy difícil curarlas en longitudes de onda infrarrojas, que es donde los sistemas ópticos integrados en fase para lidar han funcionado en el pasado”, dice Corsetti. “Aquí nos encontramos a medio camino entre la fotoquímica estándar y la fotónica de silicio utilizando resinas curables con luz visible y chips emisores de luz visible para crear esta impresora 3D basada en chips. Idea”.
Su prototipo consta de un único chip fotónico con una antena óptica de 160 nanómetros de espesor. (Una hoja de papel tiene aproximadamente 100.000 nanómetros de espesor.) El chip entero cabe en una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense.
Cuando se alimentan con un láser fuera del chip, las antenas emiten un haz nítido de luz visible en un pozo de resina fotocurable. El chip se encuentra debajo de un portaobjetos transparente, similar al que se usa en los microscopios, con una muesca poco profunda que sostiene la resina. Los investigadores utilizan señales eléctricas para dirigir de forma no mecánica un haz de luz, haciendo que la resina se solidifique dondequiera que el haz la golpee.
Un enfoque colaborativo
Pero modular eficazmente la luz de longitud de onda visible, incluida la modificación de su amplitud y fase, es particularmente difícil. Un método común requiere calentar el chip, pero esto es ineficiente y ocupa mucho espacio físico.
En cambio, los investigadores utilizaron cristales líquidos para crear moduladores compactos que integraron en el chip. Las propiedades ópticas únicas del material permiten que los moduladores sean altamente eficientes y tengan sólo 20 micrones de longitud.
Una única guía de ondas en el chip transporta luz desde un láser fuera del chip. A lo largo de la guía de ondas hay pequeños tubos que transmiten una pequeña cantidad de luz a cada antena.
Los investigadores sintonizan activamente los moduladores utilizando un campo eléctrico, que reorganiza las moléculas del cristal líquido en una dirección particular. De esta forma, pueden controlar con precisión la amplitud y fase de la luz dirigida a la antena.
Pero darle forma y dirigir el rayo es sólo la mitad de la batalla. La interfaz con una nueva resina fotocurable fue un desafío completamente diferente.
El grupo de Page en UT Austin trabajó en estrecha colaboración con el grupo de Notaros en el MIT, ajustando cuidadosamente las combinaciones y concentraciones químicas para concentrarse en una fórmula que proporcionara una vida útil a largo plazo y una curación rápida.
Al final, el grupo utilizó su prototipo para imprimir en 3D formas bidimensionales arbitrarias en segundos.
Al desarrollar este prototipo, quieren avanzar hacia el desarrollo de un sistema similar al que imaginaron originalmente: un chip que emite hologramas de luz visible en resina en un solo paso.
“Para poder hacer eso, necesitamos un diseño de chip fotónico de silicio completamente nuevo. Ya hemos explicado mucho de cómo se verá ese sistema final en este documento. Y, ahora, estamos emocionados de continuar trabajando en la dirección final. ”, dice Jelena Notaros.
Este trabajo fue financiado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU., la Fundación Robert A. Welch, la Beca Ralph G. Locher del MIT y la Beca Frederick y Barbara Cronin del MIT.
