📅 Data publikacji: 22.07.2025
Традиційно 3D-друк асоціювався із виробництвом складних форм на макрорівні: деталі автомобілів, корпуси літаків, медичні імпланти. Проте на початку 2025 року в Інституті NanoForge при Токійському університеті докторка Айко Танкака та її команда розпочали революційний проєкт “NanoArch”, метою якого стало перевести адитивні технології на новий рівень — створення внутрішньої “архітектури” матеріалів прямо під мікроскопом🧐. Ідея полягала в тому, щоб за допомогою точних 3D-принтерів формувати порожнини, трабекули та підпори в масштабі сотень нанометрів, закладаючи функції матеріалу майже на атомному рівні.
Для досягнення цієї мети команда поєднала дві ключові технології. По-перше, фотополімеризацію з двофотонним лазером (two-photon polymerization, 2PP), що дозволяє досягнути роздільної здатності до 100 нм. По-друге, мікронаправлене енергетичне осадження (DED) — для металевих компонентів мікроструктури. Технологічний цикл починався з друку полімерних каркасів з топологіями Schwarz–Diamond, Gyroid і Kelvin Foam за допомогою лазера з фемтосекундним імпульсом. Після цього вони піддавалися інфільтрації субмікронним порошком титану або алюмінію та спікалися в печі при 650 °C, створюючи композитні мікроструктури.
Перші тестові куби розміром 1×1×0,5 мм продемонстрували надзвичайну однорідність і відсутність дефектів при огляді під скануючим електронним мікроскопом. Наноінденційні випробування показали твердість до 9 ГПа та модуль Юнга понад 200 ГПа у металевих зонах, тоді як чистополімерні райони змогли гнучко амортизувати навантаження, маючи модуль близько 5 ГПа. Ця градація властивостей від жорстких до пружних дозволила створювати матеріали з вбудованим контролем переносу навантаження та тепловим розширенням в різних областях одного зразка🧩.
У середині 2025 року NanoArch перейшов від лабораторних дослідів до реальних застосувань у співпраці з провідними галузевими партнерами. У космічній інженерії компанія AstroShield замовила мікроструктурні панелі для захисту супутникових сенсорів від мікрометеоритів. Панелі з титановими решітками товщиною 1 мм і стінками 50 нм витримали удари зі швидкістю 5 км/с у випробувальній камері національного космічного агентства Японії, демонструючи 30 % зниження ваги та суттєве підвищення стійкості до зовнішніх агресивних середовищ🛰️.
У автомобільній індустрії, зокрема в підрозділі електромобілів ElectroDrive в Німеччині, були надруковані мікропористі акустичні панелі для електрокабін. Використавши полімерами з вбудованими порожнинами розміром 200–400 нм, інженери розробили фільтри, які заглушують шум у діапазоні 1–3 кГц на 20 дБ, перевершуючи звичайні шумопоглинаючі матеріали при тій самій товщині лише 2 см🔇.
У сфері медицини команда Jagiellonian Medical University впровадила мікроструктурні «скелети» для кісткової регенерації. Пори 200–500 нм, утворені в полімерних матрицях, були покриті шаром гідроксиапатиту. В експериментах на кроликах новоутворена кісткова тканина заповнювала до 75 % об’єму за шість тижнів, тоді як контрольні зразки без наноструктур дали лише 45 % наросту. Такий підхід відкриває нові горизонти для імплантатів із високою інтеграцією з власними клітинами пацієнта🦴.
Електроніка отримала рішення з гнучкими друкованими проводами: мікроструктурні доріжки з срібних наночастинок, вбудовані в полімерні стрічки, зберігали провідність після 10 000 циклів згинання, дозволяючи інтегрувати датчики та мікросхеми безпосередньо в форму корпусу носимих пристроїв📡.
Незважаючи на видатні результати, масштабування наноархітектури стикається з серйозними перешкодами. Двофотонна літографія має наднизьку пропускну здатність — друк 1 мм³ структури може тривати кілька годин🚧. Для подолання цього NanoArch розробляє паралельні масиви лазерних променів та просторові модулятори світла, що дозволять одночасно твори тисячі точок. Попередні прототипи з четверним лазерним модулем досягли швидкості 1 мм³/год — удвічі більше за стандарт📈.
Іншим викликом є матеріальне різноманіття. Більшість 2PP-резин обмежена кількома типами фотополімерів. Щоб розширити палітру, дослідники впроваджують композитні живильники з керамічними та металевими прекурсорами, які у процесі термообробки перетворюються на тверді фази, такі як SiC чи NiFe-сплави🔧.
Нам потрібен вбудований контроль якості — інтегровані SEM чи OCT-сканери могли б перевіряти кожен шар у реальному часі, а штучний інтелект коригував параметри лазера або швидкість екструзії на льоту🤖. Розробка цифрових двійників у поєднанні з такими системами забезпечить відтворюваність та передбачуваність процесів.
Технологія мікроструктурного друку вже закладає основу для нового покоління матеріалів: від легких аерокосмічних конструкцій до інтелектуальних імплантатів, здатних моніторити стреси. Найближчі роки принесуть інтеграцію багатомасштабних підходів, де генеровані алгоритмами топології поєднаються зі штучним інтелектом для створення матеріалів, які «розуміють» навантаження в реальному часі. 🧬
Як підсумовує д-р Танкака:
«Друк мікроструктур відкриває нову еру: тепер ми створюємо не лише форму, а й внутрішню суть матеріалу. Майбутнє — за тими, хто вміє проєктувати на всіх рівнях, від нанометра до метра.»🌟