2023年7月10日，據(jù)魔猴網(wǎng)了解到，瑞典科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的石英玻璃3D打印技術(shù)，能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜的能源密集型工藝。為了驗(yàn)證其潛力，他們成功使用該技術(shù)打印了世界上最小的酒杯，其邊緣寬度甚至比一根人類頭發(fā)還細(xì)。此外，他們還打印了用于光纖電信系統(tǒng)的光學(xué)諧振器，這是3D打印技術(shù)的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

△用掃描電子顯微鏡拍攝世界上最小的石英玻璃酒杯（左）和微型光學(xué)諧振器（右），玻璃的邊緣比人類頭發(fā)的寬度還小

瑞典斯德哥爾摩KTH皇家理工學(xué)院的合著者Kristinn Gylfason表示：“互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)是建立在玻璃光纖基礎(chǔ)上的。在這些系統(tǒng)中，需要使用各種濾波器和耦合器，而現(xiàn)在我們可以通過(guò)3D打印技術(shù)制造出這些濾波器和耦合器，這為我們帶來(lái)了許多新的可能性?！?/span>

可以概括的說(shuō)，這項(xiàng)石英玻璃3D打印技術(shù)的突破為3D打印領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展前景，將為能源和通信等領(lǐng)域的創(chuàng)新提供更多可能性。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上，題目為“亞微米分辨率下的3D打印二氧化硅玻璃”（傳送門）

技術(shù)背景

作者指出，針對(duì)二氧化硅玻璃（無(wú)定形二氧化硅）的3D打印仍存在挑戰(zhàn)，特別是在微尺度上。雖然已經(jīng)嘗試了幾種方法來(lái)解決這一問(wèn)題，包括立體光刻、直接墨水書(shū)寫(xiě)和數(shù)字光處理等技術(shù)，但即使是最先進(jìn)的技術(shù)也只能實(shí)現(xiàn)幾十微米數(shù)量級(jí)的特征尺寸。目前使用的溶膠-凝膠工藝涉及將二氧化硅納米顆粒負(fù)載到有機(jī)混合物中，因此最終的印刷結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料，而非純石英玻璃，這導(dǎo)致了一些不理想的特性，如熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、硬度和寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)透明度。

此外，還需要進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)步驟以去除有機(jī)殘留物并實(shí)現(xiàn)所需的性能，這是一項(xiàng)能源密集型的額外步驟，嚴(yán)重限制了潛在的應(yīng)用范圍。部分方法還需要在微米尺度上將3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，這也帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

△通過(guò)直接激光寫(xiě)入3D打印石英玻璃微結(jié)構(gòu)

新型石英玻璃的3D打印技術(shù)

該技術(shù)采用了氫倍半硅氧烷（HSQ）作為無(wú)機(jī)材料的替代品。這種無(wú)機(jī)材料類似于二氧化硅，并可以通過(guò)電子束、離子束和特定波長(zhǎng)的紫外線進(jìn)行圖案化。與傳統(tǒng)的立體光刻或直接墨水書(shū)寫(xiě)方法不同，他們的方法不依賴有機(jī)化合物作為光引發(fā)劑或粘合劑，而是直接使用無(wú)機(jī)HSQ進(jìn)行交聯(lián)。

該方法包括三個(gè)主要步驟。首先，將HSQ溶解在有機(jī)溶劑中，并滴在基材上。一旦HSQ干燥，使用聚焦的亞皮秒激光束將所需的3D形狀繪制出來(lái)。最后，使用氫氧化鉀溶液溶解未暴露的HSQ。拉曼光譜顯示打印微結(jié)構(gòu)具有石英玻璃的特征，但仍存在殘留的氫和碳痕跡。為了去除這些有機(jī)物的殘留并獲得更純凈的石英玻璃，可以通過(guò)在較低溫度下（約900°C）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火的額外步驟。此后，結(jié)構(gòu)的光譜與商業(yè)熔融石英玻璃基板的光譜相匹配。

需要注意的是，對(duì)3D打印微結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火可能會(huì)導(dǎo)致一定程度的收縮或形變，但研究人員發(fā)現(xiàn)，其石英玻璃結(jié)構(gòu)的最大收縮率約為6%，而使用立體光刻和直接墨水書(shū)寫(xiě)方法制造的玻璃物體的最大收縮率為16%至56%。這一新型的石英玻璃3D打印技術(shù)為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、高精度的石英玻璃微結(jié)構(gòu)提供了新的可能性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

△3D打印光學(xué)演示器及其表征

廣泛的應(yīng)用前景

除了用于概念驗(yàn)證的微型酒杯和光學(xué)諧振器，研究團(tuán)隊(duì)還使用這種新型石英玻璃3D打印技術(shù)制造了微型版本的KTH徽標(biāo)、懸臂、錐形螺旋以及石英玻璃光纖尖端。他們相信這種方法也可以應(yīng)用于制造定制鏡片，用于醫(yī)療設(shè)備和微型機(jī)器人。通過(guò)在3D打印的微結(jié)構(gòu)上涂覆納米金剛石或鐵納米粒子，可以進(jìn)一步定制混合量子光子集成的特性，或通過(guò)磁力來(lái)控制結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

研究生和合著者Po-Han Huang表示：“集成3D打印方法時(shí)，不同應(yīng)用的考慮因素通常不同。盡管不同的應(yīng)用仍然需要我們方法的優(yōu)化，但我們相信這一突破展示了將3D玻璃打印應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的重要性和必要性?！边@種新型石英玻璃3D打印技術(shù)的發(fā)展為定制化的微結(jié)構(gòu)制造開(kāi)辟了新的可能性，并具有廣泛的應(yīng)用前景。

來(lái)源：南極熊