科學(xué)家利用石英玻璃3D打印出世界上最小的酒杯和微型光學(xué)諧振器

2023年7月9日，南極熊獲悉,，瑞典科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的石英玻璃3D打印技術(shù),，能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜的能源密集型工藝,。為了驗(yàn)證其潛力,，他們成功使用該技術(shù)打印了世界上最小的酒杯，其邊緣寬度甚至比一根人類頭發(fā)還細(xì),。此外,，他們還打印了用于光纖電信系統(tǒng)的光學(xué)諧振器，這是3D打印技術(shù)的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域,。

△用掃描電子顯微鏡拍攝世界上最小的石英玻璃酒杯（左）和微型光學(xué)諧振器（右）,，玻璃的邊緣比人類頭發(fā)的寬度還小

瑞典斯德哥爾摩KTH皇家理工學(xué)院的合著者Kristinn Gylfason表示：“互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)是建立在玻璃光纖基礎(chǔ)上的。在這些系統(tǒng)中,，需要使用各種濾波器和耦合器,，而現(xiàn)在我們可以通過(guò)3D打印技術(shù)制造出這些濾波器和耦合器，這為我們帶來(lái)了許多新的可能性,�,！�

可以概括的說(shuō)，這項(xiàng)石英玻璃3D打印技術(shù)的突破為3D打印領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展前景,，將為能源和通信等領(lǐng)域的創(chuàng)新提供更多可能性,。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上，題目為“亞微米分辨率下的3D打印二氧化硅玻璃”（傳送門）

技術(shù)背景

作者指出,，針對(duì)二氧化硅玻璃（無(wú)定形二氧化硅）的3D打印仍存在挑戰(zhàn),，特別是在微尺度上。雖然已經(jīng)嘗試了幾種方法來(lái)解決這一問(wèn)題,，包括立體光刻,、直接墨水書寫和數(shù)字光處理等技術(shù)，但即使是最先進(jìn)的技術(shù)也只能實(shí)現(xiàn)幾十微米數(shù)量級(jí)的特征尺寸,。目前使用的溶膠-凝膠工藝涉及將二氧化硅納米顆粒負(fù)載到有機(jī)混合物中,，因此最終的印刷結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料，而非純石英玻璃，這導(dǎo)致了一些不理想的特性,，如熱穩(wěn)定性,、化學(xué)穩(wěn)定性、硬度和寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)透明度,。

此外,，還需要進(jìn)行高溫?zé)�結(jié)步驟以去除有機(jī)殘留物并實(shí)現(xiàn)所需的性能，這是一項(xiàng)能源密集型的額外步驟,，嚴(yán)重限制了潛在的應(yīng)用范圍,。部分方法還需要在微米尺度上將3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，這也帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn),。

△通過(guò)直接激光寫入3D打印石英玻璃微結(jié)構(gòu)

新型石英玻璃的3D打印技術(shù)

該技術(shù)采用了氫倍半硅氧烷（HSQ）作為無(wú)機(jī)材料的替代品,。這種無(wú)機(jī)材料類似于二氧化硅，并可以通過(guò)電子束,、離子束和特定波長(zhǎng)的紫外線進(jìn)行圖案化,。與傳統(tǒng)的立體光刻或直接墨水書寫方法不同,，他們的方法不依賴有機(jī)化合物作為光引發(fā)劑或粘合劑,，而是直接使用無(wú)機(jī)HSQ進(jìn)行交聯(lián)。

該方法包括三個(gè)主要步驟,。首先,，將HSQ溶解在有機(jī)溶劑中，并滴在基材上,。一旦HSQ干燥,，使用聚焦的亞皮秒激光束將所需的3D形狀繪制出來(lái)。最后,，使用氫氧化鉀溶液溶解未暴露的HSQ,。拉曼光譜顯示打印微結(jié)構(gòu)具有石英玻璃的特征，但仍存在殘留的氫和碳痕跡,。為了去除這些有機(jī)物的殘留并獲得更純凈的石英玻璃,，可以通過(guò)在較低溫度下（約900°C）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火的額外步驟。此后,，結(jié)構(gòu)的光譜與商業(yè)熔融石英玻璃基板的光譜相匹配,。

需要注意的是，對(duì)3D打印微結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火可能會(huì)導(dǎo)致一定程度的收縮或形變,，但研究人員發(fā)現(xiàn),，其石英玻璃結(jié)構(gòu)的最大收縮率約為6%，而使用立體光刻和直接墨水書寫方法制造的玻璃物體的最大收縮率為16%至56%,。這一新型的石英玻璃3D打印技術(shù)為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜,、高精度的石英玻璃微結(jié)構(gòu)提供了新的可能性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

△3D打印光學(xué)演示器及其表征

廣泛的應(yīng)用前景

除了用于概念驗(yàn)證的微型酒杯和光學(xué)諧振器,，研究團(tuán)隊(duì)還使用這種新型石英玻璃3D打印技術(shù)制造了微型版本的KTH徽標(biāo),、懸臂、錐形螺旋以及石英玻璃光纖尖端,。他們相信這種方法也可以應(yīng)用于制造定制鏡片,，用于醫(yī)療設(shè)備和微型機(jī)器人。通過(guò)在3D打印的微結(jié)構(gòu)上涂覆納米金剛石或鐵納米粒子,，可以進(jìn)一步定制混合量子光子集成的特性,，或通過(guò)磁力來(lái)控制結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

研究生和合著者Po-Han Huang表示：“集成3D打印方法時(shí),，不同應(yīng)用的考慮因素通常不同,。盡管不同的應(yīng)用仍然需要我們方法的優(yōu)化，但我們相信這一突破展示了將3D玻璃打印應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的重要性和必要性,�,！边@種新型石英玻璃3D打印技術(shù)的發(fā)展為定制化的微結(jié)構(gòu)制造開(kāi)辟了新的可能性，并具有廣泛的應(yīng)用前景,。