科學(xué)家3D打印出比頭發(fā)還細(xì)的酒杯

玻璃是一種難以用3D打印技術(shù)制造的材料，尤其是在微米級(jí)別。但是，瑞典皇家理工學(xué)院的一組科學(xué)家解決了這一難題，開(kāi)發(fā)出了一種新的3D打印二氧化硅玻璃（即無(wú)定形硅酸鹽）的方法，簡(jiǎn)化了一個(gè)復(fù)雜而耗能的過(guò)程。作為概念驗(yàn)證，他們3D打印出了世界上最小的酒杯（由實(shí)際玻璃制成），其杯沿比人類頭發(fā)還要細(xì)，還打印出了一個(gè)用于光纖通信系統(tǒng)的光學(xué)諧振器——這是3D打印二氧化硅玻璃部件的潛在應(yīng)用之一。

該研究的合著者、瑞典皇家理工學(xué)院的KristinnGylfason說(shuō)：“互聯(lián)網(wǎng)的骨干是基于玻璃制成的光纖。在這些系統(tǒng)中，需要各種過(guò)濾器和耦合器，現(xiàn)在可以用我們的技術(shù)3D打印出來(lái)，這開(kāi)辟了許多新的可能性。”

二氧化硅玻璃（即非晶二氧化硅）具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、硬度和光透明性等特性，但目前的3D打印方法都無(wú)法很好地復(fù)制這些特性，尤其是在微觀尺度上。這些方法都需要使用不同的有機(jī)混合物，并在高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的燒結(jié)步驟，才能去除有機(jī)殘留物并獲得所需的特性。這個(gè)額外的步驟極大地限制了潛在的應(yīng)用，因?yàn)橹挥心軌虺惺芨邷氐幕�底材料才能使用。有些方法還需要將3D打印的結(jié)構(gòu)組裝成最終形式，這在微米尺度上也很困難。

Gylfason等人在開(kāi)發(fā)的替代方法時(shí)，選擇了氫化硅氧烷（HSQ）作為原料，這是一種與二氧化硅類似的無(wú)機(jī)材料，可以被電子束、離子束和某些波長(zhǎng)的紫外光進(jìn)行圖案化。該方法的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是不依賴于有機(jī)化合物來(lái)作為光引發(fā)劑或粘合劑，而是依賴于直接交聯(lián)無(wú)機(jī)HSQ。

據(jù)了解，該過(guò)程有三個(gè)主要步驟。首先，他們將HSQ溶解在有機(jī)溶劑中，并滴注在基底上。HSQ干燥后，他們用一個(gè)聚焦的亞皮秒激光束追蹤所需的3D形狀。最后，用氫氧化鉀溶液溶解掉未暴露于光線下的HSQ。對(duì)3D打印的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉曼光譜分析，顯示出了二氧化硅玻璃的所有預(yù)期特征。然而，也有一些殘留的氫和碳的痕跡。對(duì)于需要更純凈的二氧化硅玻璃的應(yīng)用，可以通過(guò)在900攝氏度下退火結(jié)構(gòu)來(lái)去除殘留的有機(jī)物。經(jīng)過(guò)這樣處理后，結(jié)構(gòu)的光譜與商業(yè)熔融二氧化硅玻璃基底的光譜相匹配。

雖然退火3D打印的微結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致它們收縮或變形，但作者發(fā)現(xiàn)，他們的二氧化硅玻璃結(jié)構(gòu)的最大收縮率約為6%，而使用立體光刻和直接墨水寫入方法制造的玻璃物體的收縮率則在16%到56%之間。除了作為概念驗(yàn)證的微型酒杯和光學(xué)諧振器外，作者還打印了一個(gè)微型的KTH標(biāo)志、一個(gè)懸臂和一個(gè)錐形螺旋，以及一個(gè)二氧化硅玻璃光纖尖端。他們認(rèn)為，他們的方法可以用來(lái)制造醫(yī)療設(shè)備和微型機(jī)器人的定制透鏡等。通過(guò)在3D打印的微結(jié)構(gòu)上涂覆納米金剛石或鐵磁納米顆粒，還可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的性能，分別用于混合量子光子學(xué)集成或磁性去除運(yùn)動(dòng)控制。