Due fotoni is megl' che one: polimerizzazione!

Tira un sospiro Billy (di sollievo?), per questa settimana non abbiamo riflessioni o dubbi esistenziali da instillarti, parleremo invece della cara e vecchia tecnologia.

Eppure questo articolo parla di stampa 3D quindi in realtà a chiamarla vecchia si rischia di offenderla.

Lo so, lo so, sai già che cos’è e come funziona ma io sono un passo avanti, tra tutte le innumerevoli tecniche ti racconto di una delle più curiose: la polimerizzazione a due fotoni.

Magari ti starai chiedendo “bene, oltre ad avere un bel nome, a cosa serve e che cosa ci si può fare?”. La risposta è veloce: oggetti con risoluzione nell’ordine delle centinaia di nanometri. (A seconda che tu sia pratico o meno diciamo che equivale a 10^-7m, un decimo di millesimo di millimetro, insomma: mooooolto piccolo).

La mia missione di oggi è quindi cercare di farti capire come si possa realizzare una versione di Amore e Psiche di Canova abbastanza piccola da poter stare comodamente sulla testa di un insetto. (Il mistero di come la si possa posare proprio lì però rimarrà tale, almeno per ora).

Bene, prima di tutto, di cosa sono fatte le nostre statuine?

Tutte le strutture sono realizzate in materiale polimerico (plastica, se vogliamo essere volgari). In questo si potrebbe pensare che la polimerizzazione a due fotoni non si distingua dalle classiche tecniche di stampa 3D, eppure, Billy, il materiale che si utilizza è piuttosto bizzarro: il supporto su cui si stampa è una particolare categoria di resine, definite “resine fotosensibili”.

Queste resine possono essere viste come un insieme di piccole molecole che interagiscono poco tra loro, qualità che le rende più o meno liquide a temperatura ambiente (pensa ad un qualcosa di intermedio tra acqua e miele).

Queste piccole molecole possiedono però la comoda caratteristica di scatenare una reazione di polimerizzazione una volta raggiunto lo stato eccitato. Per farla breve, sono resine che, se esposte alla luce di un particolare colore, diventano solide.

Ad ogni modo, neanche a dirlo, per fare la nostra magia si sfrutta un bell’effetto quantistico, così arriviamo alle note dolenti.

So che sai che la luce può essere vista sia come onda che come insieme di particelle (fotoni) che trasportano una determinata quantità di energia. Ora, perché essa possa essere assorbita, deve interagire con un sistema (nel nostro caso una molecola), che possiede una differenza di energia tra lo stato a riposo e il primo stato eccitato pari all’energia trasportata dal fotone.

Lo so, se non sei “del mestiere” è difficile da mandare giù, mettiamola in questo modo allora: è come se la nostra molecola possa stare solo su determinati livelli energetici, che immaginiamo con una scala; se il fotone possiede un’energia pari a quella necessaria a far compiere un gradino alla molecola (non poco meno, e nemmeno poco di più) allora la luce (fotone) può essere assorbita e la molecola passa in quello che si definisce uno “stato eccitato”.

Se però due fotoni, che portano un’energia che sommata tra loro è pari a quella del gradino, giungono insieme sulla molecola (ad una distanza temporale dell’ordine di 10^-16s), la fregano: questa “li vede” come un solo fotone e li assorbe entrambi.

Puoi capire, Billy, come questo effetto (definito assorbimento non lineare) dipende fortemente dalla probabilità che due fotoni arrivino sulla molecola in un lasso di tempo accettabile. Sarà perciò un effetto più probabile al crescere del numero di fotoni che spariamo sulla molecola, o più precisamente al crescere dell’intensità della luce utilizzata (per i precisini dipende dal quadrato dell’intensità).

Tieniti forte Billy, ora viene l’idea geniale.

Se usassimo un laser che emette luce con un particolare colore (UV), e quindi una particolare energia, che sia quella esatta per eccitare le molecole della resina, questa sarebbe assorbita e otterremmo una polimerizzazione sulla superficie della resina stessa, che di solito viene spalmata su un vetrino.

Così facendo otterremmo una macchina capace di stampare strutture solo in 2D, un po’ poco per le nostre ambizioni.

Ed ecco il trucco: prima di tutto usiamo un laser che emette fotoni con metà dell’energia necessaria ad eccitare la molecola (IR). Se hai seguito bene capirai che questi fotoni non possono essere assorbiti dalle molecole perché la loro energia non è quella “giusta”, quindi possono procedere indisturbati attraverso la resina.

Con una bella lente però focalizziamo il fascio laser e poniamo il fuoco nel volume occupato dalla resina. Puoi immaginare a questo punto il fascio laser come un insieme di fotoni costretti a stringersi tra loro dalla lente in una sorta di cono schiacciato che ha come vertice il fuoco.

La densità dei fotoni (e quindi l’intensità dell’onda) continuerà a crescere fino a raggiungere il valore massimo in corrispondenza del fuoco. Se tale valore è abbastanza alto, allora, la probabilità che due fotoni raggiungano la stessa molecola nello stesso istante (o quasi) diventa significativa e, visto che la loro energia sommata è esattamente quella necessaria ad eccitare la molecola, si avrà assorbimento non lineare.

Grazie a questo effetto puramente quantistico, è quindi possibile eccitare le molecole presenti nel volume focale della lente, ossia solo dove l’intensità è sufficiente ad innescare l’assorbimento non lineare. L’eccitazione innesca il processo di polimerizzazione che rende “solida” la resina presente nel volume focale (che di solito è nell’ordine delle già citate centinaia di nanometri).

Spostando la resina rispetto al fascio laser con delle slitte guidare da software, si può modificare la posizione del volume focale e “disegnare” qualsiasi struttura in 3D all’interno della resina.

Puoi esultare Billy, siamo arrivati alla fine. Da oggi tutte le volte che ti imbatterai in una Tour Eiffel alta 100 micron o una ballerina che danza nella capocchia di un ago potrai vantarti di saper come sono state realizzate, certo, sempre che tu riesca ad aguzzare la vista per vederle.

Per altre foto ad alta risoluzione, guarda QUI Billy.

di Elia Sarta

Ingegnere fisico, (in)attivo divulgatore che annoiato dalle sere di dicembre ha deciso di acculturarti, Billy. Ovviamente appassionato di fisica, amante di qualsiasi cosa bella, soprattutto se molto piccola e in posti strani.