Исследователи канадского Университета Конкордия разработали технологию объёмной печати, использующую сфокусированный ультразвук для отверждения жидких полимеров. Метод получил название «ближнепольная звуковая печать» (Proximal Sound Printing, PSP) и позволяет создавать объекты с разрешением, примерно в десять раз превышающим точность предыдущих акустических систем. Работа опубликована в журнале Microsystems & Nanoengineering, издаваемом группой Nature.
Новый подход является развитием концепции прямой звуковой печати, ранее предложенной той же научной группой. Первые эксперименты подтвердили принципиальную возможность инициировать звукохимические реакции ультразвуком для послойного формирования твёрдых структур, однако качество изделий ограничивали недостаточная стабильность процесса и низкое разрешение. Ключевое усовершенствование заключается в значительном сокращении расстояния между источником звука и рабочей поверхностью. Такое расположение преобразователя позволило точнее контролировать зону полимеризации и уменьшить минимальный размер получаемых элементов при одновременном снижении энергопотребления примерно на 40 процентов.
Технология демонстрирует особую эффективность при работе с мягкими и эластичными материалами, в частности с силиконом и полидиметилсилоксаном (ПДМС). Эти вещества широко востребованы при создании микрофлюидных устройств, лабораторий-на-чипе и носимых медицинских датчиков, однако их обработка традиционными методами лазерной стереолитографии или спекания затруднена из-за термочувствительности и склонности к деформациям. Звуковая печать позволяет формировать структуры из немодифицированных термореактивных материалов без изменения их химического состава, что критически важно для сохранения биосовместимости конечных изделий.
В ходе экспериментов исследователи получили силиконовые микроструктуры диаметром менее 50 микрометров с шероховатостью поверхности на уровне нескольких нанометров. По сравнению с методами прямой звуковой печати предыдущего поколения точность изготовления выросла в десять раз, а потребляемая мощность уменьшилась в четыре раза. Дополнительным преимуществом метода стала возможность регулировать размер формируемых элементов путём изменения диаметра акустической апертуры, что упрощает настройку скорости печати и степени детализации для различных задач — от создания микроканалов до мембранных структур.
Разработка выполнена коллективом под руководством профессора Мутукумарана Пакирисами, докторанта Шервина Форуга и исследователя Мохсена Хабиби из Калифорнийского университета в Дэвисе. Финансирование работы обеспечил грант Канадского совета по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC).
Потенциальные области применения технологии охватывают создание сложных микрофлюидных чипов для экспресс-диагностики, гибких сенсорных элементов и компонентов мягкой робототехники, в том числе искусственных мышц и адаптивных захватов. Метод позволяет изготавливать многокомпонентные структуры за один технологический цикл без дополнительной сборки, что ускоряет прототипирование и снижает себестоимость производства микросистем. В настоящее время команда ведёт переговоры с производителями медицинского оборудования о внедрении PSP в производство чипов для анализа крови и других биологических жидкостей, что позволит уменьшить объём пробы с миллилитров до микролитров и повысить чувствительность тестов.