Svéd tudósok szerint ez a világ legkisebb 3D-nyomtatott borospohara – az Ars Technica

Svéd tudósokból álló csapat új technológiát fejlesztett ki a 3D nyomtatáshoz Szilika üveg Leegyszerűsíti az összetett energiaigényes folyamatot. A koncepció bizonyítékaként kinyomtatták a világ legkisebb borospoharát (valódi üvegből) egy hajszál szélességénél kisebb kerettel, valamint optikai rezonátort használva a száloptikai kommunikációs rendszerek számára – ez a számos lehetséges alkalmazás egyike 3D nyomtatott szilícium-dioxid üveg alkatrészek. ben ismertették új módszerüket Az utolsó lap In Nature Communications.

„Az internet gerince üvegből készült optikai szálakon alapul” – mondta Christine Gilvason társszerző a stockholmi KTH Királyi Műszaki Intézettől. „Ezekben a rendszerekben mindenféle szűrőre és komparátorra van szükség, amelyek ma már 3D-ben nyomtathatók a mi technológiánkkal. Ez sok új lehetőséget nyit meg.”

A szerzők szerint a szilícium-dioxid üveg (azaz amorf szilícium-dioxid) továbbra is kihívást jelent a 3D nyomtatásban, különösen mikroszkopikus szinten, bár számos megközelítés igyekszik megbirkózni ezzel a kihívással, beleértve a litográfiát és a festékfestést. Közvetlen és digitális fényfeldolgozás . Még ezek is csak néhány tíz mikrométeres nagyságrendű elemméretet tudtak elérni, egy kivétellel Tanulmány 2021 amely nanoméretű pontosságról számolt be.

De ezek mind használatban vannak Sol Gel Szilícium-dioxid nanorészecskékkel feltöltött különböző szerves keverékeket tartalmazó eljárások. A végső nyomtatott szerkezetek ezért sok szerves anyagot tartalmazó kompozitok, így hiányoznak belőlük a szilikaüveg legkívánatosabb tulajdonságai (azaz a hő- és kémiai stabilitás, keménység és optikai átlátszóság széles hullámhossz-tartományban). A szerves maradványok eltávolítása és e tulajdonságok elérése érdekében további szinterezési lépésre van szükség magas, körülbelül 1200 °C-on (2192 °F) több órán keresztül. Ez az extra energiaigényes lépés erősen korlátozza a lehetséges alkalmazásokat, mivel csak olyan szubsztrátum anyagok használhatók, amelyek ellenállnak a magasabb hőmérsékletnek. Egyes megközelítések megkövetelik a 3D nyomtatott szerkezetek végleges formába állítását is, ami mikrométeres léptékben kihívást jelent.

Alternatív 3D nyomtatási technológiájuk szilícium-dioxid üveghez való kifejlesztése során a Gylfason et al. Válik hidrogén szilszeszkvioxán (HSQ), egy szervetlen szilícium-dioxid-szerű anyag, amely elektronsugarak, ionsugarak és bizonyos hullámhosszú ultraibolya fény hatására alakítható. Az egyik fő előnyük, hogy módszerük nem támaszkodik szerves vegyületekre, amelyek fényérzékenyítőként vagy kötőanyagként működnek, amelyek a hordozón maradnak, mint a litográfia vagy a közvetlen tintával történő írás esetében. Ehelyett a módszerük a szervetlen HSQ-k közvetlen keresztkötésén alapul.

A folyamat három fő lépésből áll. Először a szerves oldószerekben oldott HSQ-t csepegtették egy szubsztrátumra. Amint a HSQ megszárad, egy fókuszált szubpikoszekundumos lézersugár segítségével nyomon követik a kívánt 3D alakzatot. Végül minden fedetlen HSQ-t kálium-hidroxid-oldattal oldunk fel. A nyomtatott mikrostruktúrák Raman-spektroszkópiája megmutatta a szilícium-dioxid üvegtől elvárt összes tulajdonságot.

Voltak azonban hidrogén- és szénmaradványok is. A tisztább szilícium-dioxid-üveget igénylő alkalmazásoknál a maradék szerves anyagokat a szerkezetek 900 °C-on (1652 °F) végzett lágyításával lehet eltávolítani – ez egy további lépés, de sokkal alacsonyabb hőmérsékleten, mint a szokásos kiegészítő szinterezési lépés. Ezután a szerkezetek spektrumát egy kereskedelmi forgalomban kapható olvasztott szilícium-dioxid-üveg hordozóhoz illesztettük. Míg a háromdimenziós mikrostruktúrák lágyítása zsugorodását vagy torzulását okozhatja, a szerzők azt találták, hogy a szilícium-dioxid üvegszerkezeteik maximális zsugorodása körülbelül 6 százalék volt, szemben a litográfiával és közvetlen festékkel készült üvegtárgyak 16-56 százalékával. . .

A szerzők egy kis proof-of-concept borospohár és optikai rezonátor mellett a KTH logójának kis változatát, egy konzolt és egy kúpos spirált, valamint egy szilícium-dioxid üvegszálas hegyet is rányomtattak. Úgy vélik, módszerükkel egyedi lencséket is készíthetnek orvosi eszközökhöz és mikrorobotokhoz. A 3D nyomtatott mikrostruktúrák nanogyémántokkal vagy vas nanorészecskékkel való bevonása lehetővé teheti a hibrid kvantumfotonika integrációs tulajdonságainak további testreszabását, illetve a szerkezetek mozgásának mágneses eltávolítását.

„A 3D nyomtatási módszerek integrálásával kapcsolatos aggályok általában eltérőek a különböző alkalmazásokban” – mondta Bo Han Huang társszerző, a KTH végzős hallgatója. „Bár a módszerünk optimalizálása továbbra is szükséges a különböző alkalmazásokhoz, úgy gondoljuk, hogy módszerünk fontos és szükséges áttörést jelent az üvegre történő 3D nyomtatásban a gyakorlati forgatókönyvekben történő felhasználáshoz.”

DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038 / s41467-023-38996-3 (a DOI-król).