KTH Królewski Instytut Technologiczny
Zespół szwedzkich naukowców opracował nową technologię druku 3D Szkło krzemionkowe Upraszcza złożony energochłonny proces. Jako dowód słuszności koncepcji, wydrukowali najmniejszy na świecie kieliszek do wina (wykonany z prawdziwego szkła) przy użyciu ramki mniejszej niż szerokość pojedynczego włosa, a także rezonator optyczny do światłowodowych systemów komunikacyjnych — jedno z kilku potencjalnych zastosowań dla Elementy ze szkła krzemionkowego wydrukowane w 3D. Swoją nową metodę opisali w Ostatni papier W komunikacji natury.
„Szkielet Internetu opiera się na światłowodach wykonanych ze szkła” powiedziała współautorka Christine Gilvason z KTH Royal Institute of Technology w Sztokholmie. „W tych systemach potrzebne są wszelkiego rodzaju filtry i komparatory, które można teraz wydrukować w 3D za pomocą naszej technologii. Otwiera to wiele nowych możliwości”.
Szkło krzemionkowe (tj. amorficzny dwutlenek krzemu) jest jednym z materiałów, który według autorów pozostaje wyzwaniem dla drukowania 3D, zwłaszcza na poziomie mikroskopowym, chociaż kilka podejść stara się sprostać temu wyzwaniu, w tym litografia i tusz. . Nawet one były w stanie osiągnąć jedynie rozmiary obiektów rzędu kilkudziesięciu mikrometrów, z jednym wyjątkiem Badanie 2021 który zgłosił dokładność w nanoskali.
Ale wszystkie są używane żel zolowy Procesy z udziałem różnych mieszanin organicznych obciążonych nanocząstkami krzemionki. Ostateczne wydrukowane struktury są zatem kompozytami zawierającymi wiele materiałów organicznych, a zatem pozbawionymi najbardziej pożądanych właściwości szkła krzemionkowego (np. stabilność termiczna i chemiczna, wytrzymałość i przezroczystość optyczna w szerokim zakresie długości fal). Wymaga dodatkowego etapu spiekania w wysokich temperaturach około 1200 ° C (2192 ° F) przez kilka godzin w celu usunięcia pozostałości organicznych i uzyskania tych właściwości. Ten dodatkowy energochłonny krok poważnie ogranicza potencjalne zastosowania, ponieważ można stosować tylko materiały podłoża, które mogą wytrzymać wyższe temperatury. Niektóre podejścia wymagają również złożenia struktur wydrukowanych w 3D w ostateczną formę, co jest wyzwaniem w skali mikrometra.
Opracowując alternatywną technologię druku 3D dla szkła krzemionkowego, Gylfason i in. Przemienić się wodorosilseskwioksan (HSQ), nieorganiczny materiał podobny do krzemionki, który można kształtować za pomocą promieni elektronów, promieni jonowych i pewnych długości fal światła ultrafioletowego. Jedną z głównych zalet jest to, że ich metoda nie opiera się na związkach organicznych działających jako fotosensybilizatory lub spoiwa, które pozostają na podłożu, jak ma to miejsce w przypadku litografii lub bezpośredniego pisania atramentem. Zamiast tego ich metoda opiera się na bezpośrednim sieciowaniu nieorganicznych HSQ.
Proces składa się z trzech głównych etapów. Najpierw upuścili HSQ rozpuszczony w rozpuszczalnikach organicznych na podłoże. Po wyschnięciu HSQ śledzą pożądany kształt 3D za pomocą skupionej subpikosekundowej wiązki laserowej. Na koniec wszelkie odkryte HSQ rozpuszcza się zwykłym roztworem wodorotlenku potasu. Spektroskopia ramanowska wydrukowanych mikrostruktur wykazała wszystkie oczekiwane cechy szkła krzemionkowego.
Jednak były też szczątkowe ślady wodoru i węgla. W przypadku zastosowań wymagających bardziej czystego szkła krzemionkowego, pozostałości substancji organicznych można usunąć przez wyżarzanie struktur w temperaturze 900 ° C (1652 ° F) – przyznany dodatkowy etap, ale w znacznie niższej temperaturze niż zwykły dodatkowy etap spiekania. Następnie widmo struktur dopasowano do komercyjnego podłoża ze stopionego szkła krzemionkowego. Podczas gdy wyżarzanie trójwymiarowych mikrostruktur może powodować ich kurczenie się lub zniekształcanie, autorzy stwierdzili, że maksymalny skurcz ich struktur ze szkła krzemionkowego wynosił około 6 procent, w porównaniu do 16 procent do 56 procent w przypadku przedmiotów szklanych wykonanych przy użyciu metod litografii i bezpośredniego atramentu. . . .
Oprócz małego kieliszka do wina i rezonatora optycznego, autorzy nadrukowali małą wersję logo KTH, wspornik i stożkową spiralę, a także końcówkę światłowodu ze szkła krzemionkowego. Uważają, że ich metodę można wykorzystać do tworzenia niestandardowych soczewek do urządzeń medycznych i mikrorobotów. Powlekanie wydrukowanych w 3D mikrostruktur nanodiamentami lub nanocząstkami żelaza może umożliwić dalsze opracowanie właściwości integracyjnych hybrydowej fotoniki kwantowej lub magnetyczne usunięcie kontroli ruchu struktur.
„Problemy związane z integracją metod drukowania 3D są zwykle różne dla różnych zastosowań” powiedział współautor Bo Han Huang, absolwentka KTH. „Chociaż optymalizacja naszej metody jest nadal wymagana do różnych zastosowań, wierzymy, że nasza metoda zapewnia ważny i niezbędny przełom w drukowaniu 3D na szkle do użytku w praktycznych scenariuszach”.
DOI: Komunikacja przyrodnicza, 2023. 10.1038 / s41467-023-38996-3 (o DOI).