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Sep 20, 2023

고급 거대분자 "잉크"로 3D 프린팅된 미세 조각품

3D 프린팅에 대해 생각할 때 우리 마음은 종종 뜨거운 노즐이 분출되는 모습으로 떠오릅니다.

3D 프린팅에 대해 생각할 때 우리의 마음은 종종 녹은 플라스틱을 분출하는 뜨거운 노즐로 이동합니다. 다른 인기 있는 기술로는 수지에 밝은 빛을 비추거나 레이저를 사용하여 금속 분말을 융합시키는 것이 있습니다. 이러한 모든 기술은 데스크톱 규모에서 복잡한 형상의 부품을 생산하는 데 탁월합니다.

그러나 완전히 미세한 규모로 3D 프린팅하는 것도 가능합니다. 독일의 연구원들은 이제 이전보다 더 정밀하게 제어할 수 있는 미세한 3D 조각품을 만드는 데 사용할 수 있는 고급 거대분자 "잉크"를 개발했습니다.

3D 프린팅의 최첨단에서 하이델베르그 대학의 Eva Blasco 팀은 꼼꼼하게 디자인된 분자 시퀀스를 사용하여 3D 프린팅 구조를 성공적으로 만들었습니다. 이 기술은 DNA가 정확한 구성의 특정 아미노산을 코딩할 수 있는 방식과 유사하게 자연계의 폴리머에서 발견되는 정밀도를 반영합니다.

연구자들은 인쇄된 제품의 기본 특성을 전례 없이 제어하기 위해 먼저 잉크의 분자 순서를 세심하게 설계했습니다. 간단히 말해서 Blasco와 그녀의 팀은 분자를 맞춤형 순서로 배열하여 정확한 특성을 지닌 독특한 구조를 만드는 작업을 수행했습니다.

Blasco 팀은 순서 변경이 인쇄된 구조의 특성에 어떤 영향을 미치는지 관찰하기 위해 각각 8개의 분자 단위의 고유한 순열을 갖는 일련의 잉크를 만들었습니다. 이는 과학 문헌에서 서열 정의 또는 거대분자 정의 중합체라고 합니다. 정확한 원하는 구조를 가진 분자를 생산하기 위해서는 복잡한 화학 합성이 필요한 경우가 많습니다. 연구원들이 분자 수준에서 조작을 마스터할 수 있다고 가정하면 이러한 정밀하게 만들어진 분자는 데이터 저장, 암호화 또는 제약 응용과 같은 영역에서 더 넓은 응용 분야를 가질 수 있습니다.

Blasco 연구의 목적은 서로 다른 순서로 정의된 거대분자가 다양한 특성을 가진 물질을 생성할 수 있는지 여부를 확인하는 것이었습니다. 목표는 2광자 레이저 프린팅(2PLP)이라는 프로세스와 같은 3D 프린팅에 적합하도록 분자를 정밀하게 설계하는 것이었습니다. 현재 미세유체공학 및 미세광학 작업을 위한 도구로 인기가 높으며, 미세한 수준에서 작은 구조를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 집중된 레이저 광은 정확한 지점에서 재료를 반복해서 중합하여 3D 구조를 만드는 데 사용됩니다. 현재로서는 이러한 용도로 사용 가능한 상용 재료는 구성이 부정확한 것으로 간주됩니다. 따라서 목표는 이 중합 공정을 위해 분자적으로 정확한 잉크를 만드는 것이었습니다.

연구팀은 (B) 비기능적 단위와 광가교결합 가능(C) 단위를 사용하여 세 가지 서로 다른 거대분자 서열을 만들었습니다. 사용된 서열은 교대(BCBCBCBC), 삼블록(CCBBBBCC) 및 블록(BBBBCCCC)이었습니다. 순서의 변화는 분자 수준의 독특한 구조로 인해 잉크의 인쇄성에 직접적인 영향을 미쳤습니다.

잉크는 다양한 미세 구조를 인쇄하는 데 사용되었으며 기계적 및 화학적 특성이 평가되었습니다. 이는 각각 나노압입 테스트와 라만 분광학을 통해 달성되었습니다. 레이저 인쇄 공정의 합성과 제어 모두에서 약간의 정교함이 필요했지만 팀은 새로운 잉크를 사용하여 다양한 구조를 생산할 수 있었습니다.

특히, 그 결과는 교대 구조가 테스트된 세 가지 구조 중 가장 인쇄성이 가장 좋은 것으로 나타났습니다. 블록 구조는 영률이 가장 낮았고 삼중 블록보다 성능이 뛰어났으며 교대 시퀀스가 ​​가장 높은 결과를 나타내어 가장 큰 강성을 나타냈습니다. 한편, 화학적 분석에 따르면 블록 구조는 안정적인 구조를 생성하기 위해 가장 높은 레이저 출력이 필요한 반면, 교대 버전은 더 낮은 레이저 출력과 낮은 교차 연결 수준으로 안정적인 인쇄를 생성하는 것으로 나타났습니다.

위의 초기 테스트는 2PLP 방법으로 인쇄된 간단한 버키볼 구조에 대해 수행되었습니다. 그러나 잉크의 성능을 더 잘 보여주기 위해 연구팀은 Benchy 벤치마크 모델을 사용하여 일반 3D 프린터의 성능을 전체적으로 파악하는 방식과 유사한 좀 더 복잡한 구조도 3D 프린팅했습니다. 연구원들은 교대 구조 잉크를 사용하여 큰부리새 모델을 인쇄하여 새 부리에 10um의 큰 돌출부를 보여주었습니다. 삼중블록 잉크를 사용하여 코알라를 프린팅하여 미세한 디테일의 털을 보여주었으며, 블록 잉크로 다시 프린팅한 캥거루 모델은 성공적인 오버행과 미세한 디테일을 보여주었습니다.