3D打印出世界上最小的葡萄酒杯—亞微米分辨率的硅玻璃3D打印研究

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

瑞典皇家理工學(xué)院(KTH Royal Institute of Technology)研究人員用新方法3D打印出世界上最小的葡萄酒杯，該技術(shù)可用于制造從電信到機器人等一系列應(yīng)用的硅玻璃結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究以“Three-dimensional printing of silica glass with sub-micrometer resolution”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

二氧化硅玻璃是一種高性能材料，用于許多應(yīng)用，如鏡片，玻璃器皿和纖維。然而，微型硅玻璃結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代增材制造需要在約1200°C下燒結(jié)3D打印的硅納米顆粒負(fù)載復(fù)合材料，這會導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)收縮并限制襯底材料的選擇。文中，3D打印的固體硅玻璃與亞微米分辨率被證明無需燒結(jié)步驟。這是通過局部交聯(lián)氫硅氧烷硅玻璃利用非線性吸收亞皮秒激光脈沖實現(xiàn)的。打印后的玻璃是光學(xué)透明的，但顯示出高比例的四元硅氧環(huán)和光致發(fā)光�？蛇x的900°C退火使玻璃與熔融二氧化硅難以區(qū)分。通過3D打印光學(xué)微環(huán)形諧振器、發(fā)光源和光纖尖端懸浮板，證明了該方法的實用性。這種方法在光子學(xué)、醫(yī)學(xué)和量子光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

世界上最小的3D打印葡萄酒杯(左)和用于光纖通信的光學(xué)諧振器，在KTH皇家理工學(xué)院用掃描電子顯微鏡拍攝。玻璃杯的邊緣比人類頭發(fā)的寬度還小。圖片來源:KTH皇家理工學(xué)院

研究人員3D打印出了世界上最小的酒杯，其邊緣比人類頭發(fā)的寬度還小。打印玻璃是為了展示一種新的簡化技術(shù)，克服了3D打印基本硅玻璃組件時需要熱處理等復(fù)雜問題。用于制造從電信到機器人等一系列應(yīng)用的硅玻璃結(jié)構(gòu)。

圖1:激光直寫的硅玻璃微結(jié)構(gòu)3D打印。

該技術(shù)可以用于進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療機械的定制鏡片，在極端環(huán)境中導(dǎo)航的微型機器人，或光纖網(wǎng)絡(luò)的過濾器和耦合器等。研制出一種光纖濾光片，研究人員表示，這項技術(shù)可以直接在一根像人類頭發(fā)一樣細(xì)的光纖尖端打印設(shè)備。

圖2： 用于提取單個體素尺寸的印刷單線的SEM圖像。

圖:3：橫截面SEM圖像顯示打印后的硅玻璃是均勻的。

互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)是基于玻璃制成的光纖。在這些系統(tǒng)中，需要各種濾波器和耦合器，現(xiàn)在可以通過該技術(shù)進(jìn)行3D打印，將開啟了許多新的可能性。
這種方法大大減少了3D打印硅玻璃所需的能量，而通常需要將材料加熱到幾百度，持續(xù)數(shù)小時。該方法的優(yōu)點是不需要熱處理，玻璃可以承受應(yīng)用中的極端高溫。

圖4:3D打印玻璃的表征和退火效果。

圖5：900℃退火后3D打印玻璃的TEM表征。

另一個好處是，這種方法可以使用現(xiàn)成的商業(yè)材料生產(chǎn)二氧化硅玻璃。消除熱處理的需要增加了該技術(shù)在各種應(yīng)用場景中廣泛應(yīng)用的可能性。對于不同的應(yīng)用，集成3D打印方法時需要考慮的問題通常是不同的。盡管他們的方法仍然需要針對不同的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，但研究相信他們的方法為3D玻璃打印在實際場景中的應(yīng)用提供了重要且必要的突破。

圖6:3D打印光學(xué)演示器及其表征。

圖7：拉曼結(jié)構(gòu)和光譜以及光致發(fā)光光譜。

綜上所述，本研究的結(jié)果表明，研究人員的3D打印技術(shù)使得在襯底表面上不需要熱后處理就可以增材制造具有亞微米特征的透明固體3D硅玻璃結(jié)構(gòu)成為可能。這些能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有表面微加工技術(shù)的能力，包括那些利用生長、沉積、光刻、蝕刻和二氧化硅玻璃層的剝離的技術(shù)，以及那些通過電子的線性吸收或深紫外光直接交聯(lián)氫硅氧烷(HSQ)的技術(shù)。另一方面，現(xiàn)有的硅玻璃3D制造方法在設(shè)計靈活性、集成度和適用基板材料方面受到嚴(yán)重限制。相比之下，研究人員的方法允許將具有優(yōu)異光學(xué)功能的3D硅玻璃結(jié)構(gòu)集成到包含預(yù)制微結(jié)構(gòu)且無法承受高溫的基板上，如3D打印在帶有聚合物涂層的光纖尖端懸浮的硅玻璃板所示。研究人員的方法可以通過在3D打印的微觀結(jié)構(gòu)上涂上金屬或其他功能材料來進(jìn)一步擴展，從而定制最終3D結(jié)構(gòu)的特性，或者在打印前將功能材料混合到氫硅氧烷(HSQ)中。例如，引入納米金剛石可以實現(xiàn)混合量子光子集成，添加納米鐵顆�？梢詫崿F(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的磁遠(yuǎn)程運動控制。憑借這些功能和廣泛的有前途的擴展，研究人員的玻璃3D打印技術(shù)將在光子學(xué)，量子光學(xué)，流體學(xué)，3D打印微機電系統(tǒng)，機器人技術(shù)，細(xì)胞生物學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。雖然超出了這項工作的范圍，但利用亞皮秒激光脈沖進(jìn)一步研究HSQ與二氧化硅玻璃多光子交聯(lián)的機制將對研究和應(yīng)用都有意義。

相關(guān)論文鏈接：

Three-dimensional printing of silica glass with sub-micrometer resolution. Nature Communications, doi.org/10.1038/s41467-023-38996-3

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https://phys.org/news/2023-06-3d-world-smallest-wineglass-method.html