佐治亞理工學(xué)院突破3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)新工藝，可使用深紫外光玻璃精密成形

2023年10月21日。南極熊獲悉，來(lái)自佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新方法，使用紫外線而非極高的溫度來(lái) 3D 打印小型玻璃鏡片和其他結(jié)構(gòu)，這將在醫(yī)療設(shè)備和研究應(yīng)用領(lǐng)域大有作用。

新工藝將聚合物樹脂轉(zhuǎn)化為石英玻璃所需的熱量從 1,100 攝氏度降低到約 220 攝氏度，并將固化時(shí)間從半天或更長(zhǎng)縮短到僅五個(gè)小時(shí)。研究人員使用這種新工藝來(lái)生產(chǎn)多種玻璃微結(jié)構(gòu)，包括大約人類頭發(fā)寬度的微型透鏡，可用于體內(nèi)醫(yī)學(xué)成像。

△博士生李明哲（左）和博士后學(xué)者梁悅（右）。照片：坎德勒霍布斯。資料來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院。

由喬治·W·伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院 H.Jerry Qi 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上描述了他們的方法。相關(guān)研究論文題目為“Low-temperature3D printing of transparent silica glass microstructures”。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958

Qi教授說(shuō)：“這是一次探索性的嘗試，實(shí)驗(yàn)表明可以在較低的溫度條件下制造陶瓷，二氧化硅也是一種可使用的陶瓷材料。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。我們有一個(gè)由化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的人員組成的團(tuán)隊(duì)，致力于采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)突破界限，看看我們是否可以用這種方法生產(chǎn)更多的陶瓷�！�

隨著醫(yī)用內(nèi)窺鏡鏡頭的小型化，這些 3D 打印玻璃結(jié)構(gòu)可以創(chuàng)建微流體設(shè)備——通常是具有納米或微米級(jí)通道的小型計(jì)算機(jī)芯片類設(shè)備，用于研究運(yùn)動(dòng)中的細(xì)胞或生物流體。研究人員表示，與目前由聚合物材料制成的芯片相比，玻璃芯片具有抵抗化學(xué)物質(zhì)或體液腐蝕的優(yōu)勢(shì)。

Qi實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、該研究的第一作者李明哲表示，低溫工藝還可以實(shí)現(xiàn)玻璃結(jié)構(gòu)微電子器件的制造：“我們可以實(shí)現(xiàn)原位打印，直接進(jìn)入微電子領(lǐng)域。微電子領(lǐng)域使用的半導(dǎo)體材料不能承受非常高的溫度。如果我們想直接在板上打印，我們必須在低溫下進(jìn)行，200攝氏度絕對(duì)可以完成這項(xiàng)工作�！�

△3D 打印的玻璃微流體通道，顯示為中空且充滿液體。資料來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院。

該團(tuán)隊(duì)的打印工藝為石英玻璃制造提供了一種全新的選擇。典型的玻璃增材制造工藝需要聚合物混合物，一旦形成所需的形狀，就必須用極高熱量將聚合物去除掉。佐治亞理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的方法使用光樹脂，利用一種稱為深紫外光的紫外線將光樹脂轉(zhuǎn)化為玻璃，從而實(shí)現(xiàn)較低的溫度，從而節(jié)省了大量熱能。

△在左邊，研究人員采用了一種基于廣泛使用的軟聚合物（PDMS）的光敏樹脂。右側(cè)的樣品是使用深紫外光將光樹脂轉(zhuǎn)化為硬化無(wú)機(jī)玻璃而制成的玻璃。照片：坎德勒霍布斯。資料來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院。

研究人員采用了一種基于廣泛使用的軟聚合物（PDMS）的光敏樹脂，并且他們不需要像其他 3D 打印方法那樣在混合物中添加二氧化硅納米顆粒。其結(jié)果是高度透明的玻璃，不存在添加納米顆�？赡艹霈F(xiàn)的潛在光學(xué)問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，他們的玻璃鏡片與商業(yè)制造的熔融石英玻璃一樣光滑。

除了Woodruff學(xué)院的Qi團(tuán)隊(duì)之外，該研究團(tuán)隊(duì)還包括材料科學(xué)與工程學(xué)院的Rampi Ramprasad實(shí)驗(yàn)室。目前，該工藝可創(chuàng)建尺寸為 200 至 300 微米的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一張紙的厚度或人類頭發(fā)的直徑。他們已經(jīng)開始致力于將 3D 打印的玻璃結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到毫米級(jí)。

Qi 教授表示，3D 打印技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)陶瓷（可成型、燒制、硬化并耐熱、耐腐蝕的無(wú)機(jī)非金屬材料）的興趣促使該團(tuán)隊(duì)思考新的制造方法。

海軍研究辦公室資助了這項(xiàng)工作。Qi教授說(shuō)：“我們很期待能夠在增材制造中將聚合物低溫轉(zhuǎn)化陶瓷領(lǐng)域中開發(fā)新的尖端技術(shù)，這是以前沒(méi)有人做過(guò)的事情。我們受到海軍研究辦公室的資助。盡管他們知道風(fēng)險(xiǎn)很高，但他們給了我們很大的自由來(lái)嘗試新事物�！�