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雙光子灰度光刻技術革新航天器推進器制造
近期德國Justus Liebig University的Fynn L. Kunze課題組在Journal of Electric Propulsion上發表了關于一種利用Nanoscribe3D微納加工技術制造微型毛細管式電噴霧推進器的方法。
電噴霧推進器（Electrospray thrusters）是一種靜電推進器，通過使用靜電場從液體推進劑中提取離子或液滴來工作。由于具有可擴展性、精確的推力和脈沖比特以及使用液體或半固體推進劑等優點，它們成為微型和納米衛星以及商業應用的理想選擇。
然而，電噴霧推進器的研究也面臨著許多難點和痛點。
制造工藝的挑戰：微型電噴霧推進器的制造需要高精度和高分辨率的制造工藝，這對于傳統的制造方法來說是一個挑戰。
材料選擇：推進器的材料需要在太空的惡劣環境下保持穩定，同時具有良好的導電性和耐腐蝕性。
推進劑管理：推進劑的供應和管理是電噴霧推進器的一個關鍵問題。推進劑需要在真空環境下穩定地供應到發射器，同時避免泄漏和污染。
性能優化：電噴霧推進器的性能受到多種因素的影響，包括發射器的幾何形狀、電極的設計、推進劑的性質以及工作電壓等。優化這些參數以獲得最佳性能是一個復雜的問題。
為了解決這些問題，本文提出了一種創新的方法，利用Nanoscribe雙光子光刻技術進行微型毛細管式電噴霧推進器的增材制造。雙光子光刻（Two-photon lithography）是一種增材制造工藝，利用雙光子相互作用引發光敏樹脂中的化學反應。與傳統的微機械制造技術（如微加工或蝕刻）相比，雙光子光刻在形狀和結構的可能性方面受到的限制明顯更少，可以制造出具有高縱橫比（寬度與高度比）的結構，這對毛細管式發射器的設計非常重要。
在毛細管式發射器的設計中，一個主要的挑戰是毛細管的流體阻力。如果發射器的阻力不足，它們很容易溢出或產生大液滴而不是精細的離子噴霧。為了增加流體阻力，本文提出了一種增加毛細管縱橫比的解決方案。作者還介紹了毛細管式發射器的設計，并討論了影響流體阻力的因素，如毛細管的半徑和長度。
在文獻中，作者使用了IP-Q光刻膠作為發射器結構的基礎材料。IP-Q光刻膠具有與SU-8相當的機械和化學性能，并且在微流體應用中表現相似。與SU-8相比，使用IP-Q的一個優點是工藝時間顯著縮短，這是由于使用了10倍物鏡而不是之前使用的20倍物鏡。然而，更高的打印速度是以增加體素尺寸為代價的。
本文還提出了一種用于發射器陣列的集成提取電極的全新模塊化設計。將電極集成到發射器設計中具有許多優點，例如提高發射器孔與電極之間的對準精度，從而減少截獲的離子電流。3D打印電極進一步減少了制造誤差。這些誤差可能導致發射器提取行為的差異，因為發射器與電極相互作用。緊湊的設計本身是另一個優點，因為集成的電極需要更少的支撐材料。3D光刻方法確保了多個提取電極在尺寸和形狀上幾乎相同，并提供了高度的靈活性，可以以任何期望的方式調整電極的設計。
最后，作者展示了發射器操作和原位觀察的光學圖像和視頻以及發射數據。在所有實驗中，電極接地，然后向離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（EMIM-BF4）施加正或負高壓。
本文的工作通過Nanoscribe雙光子聚合原理微納3D打印完成，全新雙光子灰度光刻技術將微納增材制造和超高速體素大小調節結合在一起：雙光子灰度光刻(2GL)是一種全新的具有超高速、超精確的可以滿足自由形態的微加工技術，同時又不影響速度和精度。
Nanoscribe 3D微納加工系統海具備A2PL®對準雙光子光刻技術，可實現在光纖和光子芯片上的納米級精確對準。3D printing by 2GL®在實現優異的打印質量同時兼顧打印速度，適用于微光學制造和光子封裝領域。
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