科學家利用石英玻璃3D打印出世界上最小的酒杯和微型光學諧振器

2023年7月9日，南極熊獲悉，瑞典科學家團隊最近開發(fā)出一種創(chuàng)新的石英玻璃3D打印技術，能夠簡化復雜的能源密集型工藝。為了驗證其潛力，他們成功使用該技術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。此外，他們還打印了用于光纖電信系統(tǒng)的光學諧振器，這是3D打印技術的另一個潛在應用領域。

△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3D打印技術制造出這些濾波器和耦合器，這為我們帶來了許多新的可能性�！�

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

△相關研究成果已發(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）

技術背景

作者指出，針對二氧化硅玻璃（無定形二氧化硅）的3D打印仍存在挑戰(zhàn)，特別是在微尺度上。雖然已經嘗試了幾種方法來解決這一問題，包括立體光刻、直接墨水書寫和數(shù)字光處理等技術，但即使是最先進的技術也只能實現(xiàn)幾十微米數(shù)量級的特征尺寸。目前使用的溶膠-凝膠工藝涉及將二氧化硅納米顆粒負載到有機混合物中，因此最終的印刷結構是復合材料，而非純石英玻璃，這導致了一些不理想的特性，如熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、硬度和寬波長范圍內的光學透明度。

此外，還需要進行高溫燒結步驟以去除有機殘留物并實現(xiàn)所需的性能，這是一項能源密集型的額外步驟，嚴重限制了潛在的應用范圍。部分方法還需要在微米尺度上將3D打印結構進行組裝，這也帶來了一定的挑戰(zhàn)。

△通過直接激光寫入3D打印石英玻璃微結構

新型石英玻璃的3D打印技術

該技術采用了氫倍半硅氧烷（HSQ）作為無機材料的替代品。這種無機材料類似于二氧化硅，并可以通過電子束、離子束和特定波長的紫外線進行圖案化。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化合物作為光引發(fā)劑或粘合劑，而是直接使用無機HSQ進行交聯(lián)。

該方法包括三個主要步驟。首先，將HSQ溶解在有機溶劑中，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。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構具有石英玻璃的特征，但仍存在殘留的氫和碳痕跡。為了去除這些有機物的殘留并獲得更純凈的石英玻璃，可以通過在較低溫度下（約900°C）對結構進行退火的額外步驟。此后，結構的光譜與商業(yè)熔融石英玻璃基板的光譜相匹配。

需要注意的是，對3D打印微結構進行退火可能會導致一定程度的收縮或形變，但研究人員發(fā)現(xiàn)，其石英玻璃結構的最大收縮率約為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打印技術為實現(xiàn)更復雜、高精度的石英玻璃微結構提供了新的可能性，具有廣闊的應用前景。

△3D打印光學演示器及其表征

廣泛的應用前景

除了用于概念驗證的微型酒杯和光學諧振器，研究團隊還使用這種新型石英玻璃3D打印技術制造了微型版本的KTH徽標、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用于制造定制鏡片，用于醫(yī)療設備和微型機器人。通過在3D打印的微結構上涂覆納米金剛石或鐵納米粒子，可以進一步定制混合量子光子集成的特性，或通過磁力來控制結構的運動。

研究生和合著者Po-Han Huang表示：“集成3D打印方法時，不同應用的考慮因素通常不同。盡管不同的應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玻璃打印應用于實際場景的重要性和必要性�！边@種新型石英玻璃3D打印技術的發(fā)展為定制化的微結構制造開辟了新的可能性，并具有廣泛的應用前景。