Development of photochromic 3D microstructures using two-photon polymerization on Naphthopyran-sensitized PETA polymer

Abstract

Os materiais inteligentes constituem uma área em constante expansão, com aplicações em praticamente todos os domínios da ciência e da engenharia. Os materiais inteligentes microestruturados apresentam uma importância ainda maior neste campo, devido à atual tendência de miniaturização em todos os campos tecnológicos. Embora existam várias classes de materiais inteligentes/funcionais, os materiais fotocrómicos (que mudam de cor quando expostos à luz) têm apresentado um desenvolvimento significativo e revelam potencial em diversos setores. Os mecanismos destes materiais têm sido explorados para monitorização de temperatura, deteção química, de vapor e de luz, bem como em casos mais específicos, como tecnologias anti-contrafação. Esta tese explora a utilização da polimerização dois-fotões, uma técnica de fabricação não linear, para produzir e caracterizar um photoresist baseado num naftopirano com propriedades fotocrómicas inerentes (NPVis@PETA). Foi alcançada uma resolução de fabricação de até ≈ 0,5 𝜇𝑚 lateralmente e ≈2 𝜇𝑚 verticalmente, enquanto caracterização ótica adicional revelou um índice de refração ajustável entre 1,3 e 1,55. Além disso, foi desenvolvida uma célula de microsensorização 3D, capaz de conter, no seu interior, photoresist líquido e de apresentar comutação fotocrómica reversível sob exposição a radiação UV. Os resultados não só demonstram que os naftopiranos podem atuar como foto-iniciadores eficazes para polimerização dois-fotões, mas também que possuem um elevado potencial para impulsionar áreas emergentes, como microssensores inteligentes e outras tecnologias fotónicas miniaturizadas.

Smart materials are an emerging field with applications in seemingly every area of science and engineering. Microstructured smart materials are an even more important aspect of this field due to the current trend of miniaturization of all technologies. Although there are several classes of smart/functional materials, photochromic (that change color upon light exposure) materials have seen significant development and show promise in several different fields. These materials’ inherent mechanisms have been used for temperature monitoring, chemical, vapor, and light sensing, but also find use in more specific use cases such as anti-counterfeiting. This thesis explores the use of Two-Photon Polymerization, a nonlinear fabrication technique, on a naphthopyran-based photoresist with inherent photochromic properties (NPVis@PETA). Fabrication resolution was achieved down to ≈ 0.5 𝜇𝑚 laterally and ≈ 2 𝜇𝑚 vertically, while optical characterization revealed a tunable refractive index between 1.3 and 1.55. Furthermore, a 3D microsensing unit was developed, capable of encapsulating liquid photoresist and exhibiting reversible photochromic switching upon UV exposure. The results show that not only that naphthopyrans can act as effective photoinitiators for two-photon polymerization, but also that they hold strong potential in innovating fields such as smart microsensors and other miniaturized photonic technologies such as photonic integrated circuits.