科学家利用石英玻璃3D打印出世界上最小的酒杯和微型光学谐振器

2023-07-12 10:04:52

瑞典科学家团队Z近开发出一种创新的石英玻璃3D打印技术,能够简化复杂的能源密集型工艺。为了验证其潜力,他们成功使用该技术打印了世界上Z小的酒杯,其边缘宽度甚至比一根人类头发还细。此外,他们还打印了用于光纤电信系统的光学谐振器,这是3D打印技术的另一个潜在应用领域。

3D打印

△用扫描电子显微镜拍摄世界上Z小的石英玻璃酒杯(左)和微型光学谐振器(右),玻璃的边缘比人类头发的宽度还小

瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的合著者Kristinn Gylfason表示:“互联网的主干网是建立在玻璃光纤基础上的。在这些系统中,需要使用各种滤波器和耦合器,而现在我们可以通过3D打印技术制造出这些滤波器和耦合器,这为我们带来了许多新的可能性。”

可以概括的说,这项石英玻璃3D打印技术的突破为3D打印领域带来了新的发展前景,将为能源和通信等领域的创新提供更多可能性。

3D打印

△相关研究成果已发表在《自然通讯》杂志上,题目为“亚微米分辨率下的3D打印二氧化硅玻璃”

技术背景

作者指出,针对二氧化硅玻璃(无定形二氧化硅)的3D打印仍存在挑战,特别是在微尺度上。虽然已经尝试了几种方法来解决这一问题,包括立体光刻、直接墨水书写和数字光处理等技术,但即使是Z先进的技术也只能实现几十微米数量级的特征尺寸。目前使用的溶胶-凝胶工艺涉及将二氧化硅纳米颗粒负载到有机混合物中,因此Z终的印刷结构是复合材料,而非纯石英玻璃,这导致了一些不理想的特性,如热稳定性、化学稳定性、硬度和宽波长范围内的光学透明度。

此外,还需要进行高温烧结步骤以去除有机残留物并实现所需的性能,这是一项能源密集型的额外步骤,严重限制了潜在的应用范围。部分方法还需要在微米尺度上将3D打印结构进行组装,这也带来了一定的挑战。

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△通过直接激光写入3D打印石英玻璃微结构

新型石英玻璃的3D打印技术

该技术采用了氢倍半硅氧烷(HSQ)作为无机材料的替代品。这种无机材料类似于二氧化硅,并可以通过电子束、离子束和特定波长的紫外线进行图案化。与传统的立体光刻或直接墨水书写方法不同,他们的方法不依赖有机化合物作为光引发剂或粘合剂,而是直接使用无机HSQ进行交联。

该方法包括三个主要步骤。首先,将HSQ溶解在有机溶剂中,并滴在基材上。一旦HSQ干燥,使用聚焦的亚皮秒激光束将所需的3D形状绘制出来。Z后,使用氢氧化钾溶液溶解未暴露的HSQ。拉曼光谱显示打印微结构具有石英玻璃的特征,但仍存在残留的氢和碳痕迹。为了去除这些有机物的残留并获得更纯净的石英玻璃,可以通过在较低温度下(约900°C)对结构进行退火的额外步骤。此后,结构的光谱与商业熔融石英玻璃基板的光谱相匹配。

需要注意的是,对3D打印微结构进行退火可能会导致一定程度的收缩或形变,但研究人员发现,其石英玻璃结构的Z大收缩率约为6%,而使用立体光刻和直接墨水书写方法制造的玻璃物体的Z大收缩率为16%至56%。这一新型的石英玻璃3D打印技术为实现更复杂、高精度的石英玻璃微结构提供了新的可能性,具有广阔的应用前景。

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△3D打印光学演示器及其表征

广泛的应用前景

除了用于概念验证的微型酒杯和光学谐振器,研究团队还使用这种新型石英玻璃3D打印技术制造了微型版本的KTH徽标、悬臂、锥形螺旋以及石英玻璃光纤尖端。他们相信这种方法也可以应用于制造定制镜片,用于医疗设备和微型机器人。通过在3D打印的微结构上涂覆纳米金刚石或铁纳米粒子,可以进一步定制混合量子光子集成的特性,或通过磁力来控制结构的运动。

研究生和合著者Po-Han Huang表示:“集成3D打印方法时,不同应用的考虑因素通常不同。尽管不同的应用仍然需要我们方法的优化,但我们相信这一突破展示了将3D玻璃打印应用于实际场景的重要性和必要性。”这种新型石英玻璃3D打印技术的发展为定制化的微结构制造开辟了新的可能性,并具有广泛的应用前景。


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