공저자: 김충만(서울대), 홍성훈(서울대), 신동하(서울대, 인하대), 안상민(서울대, 전북대), Xingcai Zhang(Havard), 제원호 (서울대)

3D 프린팅 적층 제조 기술은 복잡한 3차원 구조를 간단하고도 다용도로 제작할 수 있는 강력한 방법이다. 그러나 현재의 기술은 동일한 저장용기에 포함된 다양한 물질에 대한 선택적 증착 및 분류를 구현하는 데 여전히 한계가 있다. 반면에 우리가 제안하는 방법은 단일 노즐을 통해서도 서로 다른 물질의 분리 및 증착을 동시에 가능하게 하여 적층 인쇄 또는 나노구조 제조에 크게 기여할 수 있다. 본 연구에서는 나노피펫 기반 원자간력 현미경(AFM) 플랫폼에 유전영동(Dielectrophoresis, DEP) 기반 재료 선택 증착 및 분리 기술을 접목시켜 공기중에서도 단일 노즐을 통한 다중 재료 분리 및 증착 가능성을 보여준다.  Au 나노 입자 및 실리카 나노 입자를 사용하여 공간 분리에 대해 95% 정확도를 얻었으며 이는 표면 강화 라만 분광법(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 으로 확인할 수 있었다. 본 기술의 검증을 위해 시스템에 대한 시뮬레이션도 수행하여 실험 결과와 정성적 일치가 있음을 알아내었다.  피펫 기반 AFM에 DEP 및 SERS를 동시에 결합하여 기계적 분리/증착 및 분광학적 확인하는 방법은 다중 재료 패터닝, 나노재료 분류 및 미래의 4D 나노프린팅을 포함한 다양한 3D 프린팅 및 나노 마이크로 패터닝의 고유한 기능을 널리 응용하는 일에 확장될 수 있을 것이다.

Additive manufacturing, also known as 3D printing, attracts much attention in recent years as a powerful method for the simple and versatile fabrication of complicated three-dimensional structures. However, the current technology still exhibits a limitation in realizing selective deposition and sorting of various materials contained in the same reservoir, which can contribute significantly to additive printing or manufacturing by enabling simultaneous sorting and deposition of different substances through a single nozzle. Here, we propose the dielectrophoresis (DEP)-based material-selective deposition and sorting technique by using the pipette-based atomic force microscope (AFM) platform and demonstrate multi-material sorting through a single nozzle in the ambient condition. We used Au and silica nanoparticles for sorting and obtained 95% accuracy for spatial separation, which was confirmed by the surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). For validation of the scheme, we also performed a simulation for the system and found a qualitative agreement with the experimental results. The method that combines DEP, pipette-based AFM, and SERS may expand widely the unique capability of 3D printing and nano-micro patterning for multi-material patterning, materials sorting, and diverse advanced applications.

Kim, C., Hong, S., Shin, D., An, A., Zhang, X. and Jhe, W. Sorting Gold and Sand (Silica) Using Atomic Force Microscope-Based Dielectrophoresis. Nano-Micro Lett. 14, 13 (2022).
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00760-x
https://rdcu.be/cCDkH