Шведские ученые утверждают, что это самый маленький в мире бокал для вина, напечатанный на 3D-принтере

Группа шведских ученых разработала новую технологию 3D-печати. Кварцевое стекло Упрощает сложный энергоемкий процесс. В качестве доказательства концепции они напечатали самый маленький в мире бокал для вина (сделанный из настоящего стекла), используя рамку меньше ширины одиночного волоса, а также оптический резонатор для волоконно-оптических систем связи — одно из нескольких потенциальных применений для Компоненты из силикатного стекла, напечатанные на 3D-принтере. Свой новый метод они описали в Последняя бумага В коммуникациях природы.

«Основа Интернета основана на оптических волокнах, сделанных из стекла», сказала соавтор Кристин Гилвасон из Королевского технологического института KTH в Стокгольме. «В этих системах необходимы всевозможные фильтры и компараторы, которые теперь можно печатать на 3D-принтере с помощью нашей технологии. Это открывает множество новых возможностей».

По словам авторов, кварцевое стекло (то есть аморфный диоксид кремния) является одним из материалов, который остается сложным для 3D-печати, особенно на микроскопическом уровне, хотя многие подходы пытаются решить эту проблему, включая литографию и рисование.Прямая и цифровая обработка света. . Даже им удалось достичь размеров элементов порядка нескольких десятков микрометров, за одним исключением. Исследование 2021 в котором сообщается о наноразмерной точности.

Но все они используются золь-гель Процессы с участием различных органических смесей, нагруженных наночастицами кремнезема. Таким образом, окончательные печатные структуры представляют собой композиты, содержащие много органических материалов, и, таким образом, лишены наиболее желательных свойств кварцевого стекла (т. е. термической и химической стабильности, твердости и оптической прозрачности в широком диапазоне длин волн). Требуется дополнительная стадия спекания при высоких температурах около 1200 ° C (2192 ° F) в течение нескольких часов для удаления органических остатков и достижения этих свойств. Этот дополнительный энергоемкий шаг серьезно ограничивает возможности применения, поскольку можно использовать только материалы подложки, способные выдерживать более высокие температуры. Некоторые подходы также требуют, чтобы 3D-печатные структуры были собраны в окончательную форму, что является сложной задачей в микрометровом масштабе.

При разработке альтернативной технологии 3D-печати для кварцевого стекла Gylfason и другие. Превратиться в водородный силсесквиоксан (HSQ), неорганический кремнийподобный материал, который может быть сформирован электронными лучами, ионными лучами и определенными длинами волн ультрафиолетового света. Одним из основных преимуществ является то, что их метод не основан на органических соединениях, которые действуют как фотосенсибилизаторы или связующие вещества, которые остаются на подложке, как в случае литографии или прямого письма тушью. Вместо этого их метод основан на прямом сшивании неорганических HSQ.

Процесс состоит из трех основных этапов. Сначала на подложку наносили растворенный в органических растворителях HSQ. Как только HSQ высыхает, они обводят желаемую трехмерную форму с помощью сфокусированного субпикосекундного лазерного луча. Наконец, любой непокрытый HSQ растворяется простым использованием раствора гидроксида калия. Рамановская спектроскопия напечатанных микроструктур показала все ожидаемые свойства кварцевого стекла.

Однако были также остаточные следы водорода и углерода. Для приложений, требующих более чистого кварцевого стекла, остаточные органические вещества можно удалить путем отжига структур при 900 ° C (1652 ° F) — дополнительный этап разрешен, но при гораздо более низкой температуре, чем обычный этап дополнительного спекания. Затем спектр структур был сопоставлен с коммерческой подложкой из плавленого кварцевого стекла. Хотя отжиг трехмерных микроструктур может привести к их усадке или деформации, авторы обнаружили, что максимальная усадка их структур из кварцевого стекла составила около 6 процентов по сравнению с 16–56 процентами для стеклянных объектов, изготовленных с использованием методов литографии и прямого окрашивания. .

В дополнение к небольшому бокалу для вина и оптическому резонатору авторы отпечатали уменьшенную версию логотипа KTH, кантилевер и коническую спираль, а также оптоволоконный наконечник из кварцевого стекла. Они считают, что их метод можно использовать для изготовления нестандартных линз для медицинских устройств и микророботов. Покрытие 3D-печатных микроструктур алмазными наночастицами или наночастицами железа может обеспечить дальнейшую настройку интеграционных свойств гибридной квантовой фотоники или магнитное удаление управления движением структур соответственно.

«Проблемы, связанные с интеграцией методов 3D-печати, обычно различны для разных приложений», сказал соавтор Бо Хань Хуанг, аспирант КТХ. «Хотя оптимизация нашего метода все еще требуется для различных приложений, мы считаем, что наш метод обеспечивает важный и необходимый прорыв в 3D-печати на стекле для использования в практических сценариях».

DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038/с41467-023-38996-3 (о DOI).