Шведски учени твърдят, че това е най-малката 3D отпечатана чаша за вино в света – Ars Technica

Екип от шведски учени разработи нова технология за 3D принтиране Силициево стъкло Опростява сложния енергоемък процес. Като доказателство за концепцията те отпечатаха най-малката чаша за вино в света (направена от истинско стъкло), използвайки рамка, по-малка от ширината на един косъм, както и оптичен резонатор за фиброоптични комуникационни системи – едно от няколкото потенциални приложения за 3D отпечатани компоненти от силициево стъкло. Те описаха своя нов метод в Последната хартия В Nature Communications.

„Гръбнакът на интернет се основава на оптични влакна, които са направени от стъкло,“ каза съавторът Кристин Гилвасън от KTH Royal Institute of Technology в Стокхолм. „В тези системи са необходими всякакви филтри и компаратори, които сега могат да бъдат 3D отпечатани с нашата технология. Това отваря много нови възможности.“

Силициевото стъкло (т.е. аморфен силициев диоксид) е един материал, който остава предизвикателство за 3D печат, особено на микроскопично ниво, според авторите, въпреки че няколко подхода се стремят да отговорят на това предизвикателство, включително литография и мастило.Директна и цифрова обработка на светлина . Дори те успяха да постигнат само размери на характеристиките от порядъка на няколко десетки микрометра, с едно изключение Проучване 2021 които съобщават за наномащабна точност.

Но всички те се използват зол-гел Процеси, включващи различни органични смеси, натоварени с наночастици от силициев диоксид. Следователно крайните отпечатани структури са композити, съдържащи много органични материали и по този начин им липсват най-желаните свойства на силициевото стъкло (напр. термична и химическа стабилност, издръжливост и оптична прозрачност в широк диапазон от дължини на вълните). Изисква допълнителна стъпка на синтероване при високи температури от около 1200 °C (2192 °F) в продължение на няколко часа, за да се отстранят органичните остатъци и да се постигнат тези свойства. Тази допълнителна енергоемка стъпка силно ограничава потенциалните приложения, тъй като могат да се използват само субстратни материали, които могат да издържат на по-високи температури. Някои подходи също изискват 3D отпечатани структури да бъдат сглобени в окончателна форма, което е предизвикателство в микрометърна скала.

Когато разработват своята алтернативна технология за 3D печат за силициево стъкло, Gylfason et al. Превръщам се в водороден силсесквиоксан (HSQ), неорганичен материал, подобен на силициев диоксид, който може да бъде оформен от електронни лъчи, йонни лъчи и определени дължини на вълната на ултравиолетовата светлина. Едно основно предимство е, че техният метод не разчита на органични съединения, които да действат като фотосенсибилизатори или свързващи вещества, които остават върху субстрата, какъвто е случаят с литографията или директното писане с мастило. Вместо това техният метод разчита на директно кръстосано свързване на неорганични HSQ.

Процесът има три основни стъпки. Първо, те пуснаха HSQ, разтворен в органични разтворители, върху субстрат. След като HSQ изсъхне, те очертават желаната 3D форма с помощта на фокусиран суб-пикосекунден лазерен лъч. Накрая всеки непокрит HSQ се разтваря с обикновен разтвор на калиев хидроксид. Рамановата спектроскопия на отпечатаните микроструктури показа всички очаквани характеристики на силициево стъкло.

Имаше обаче и остатъчни следи от водород и въглерод. За приложения, изискващи по-чисто силициево стъкло, остатъчните органични вещества могат да бъдат отстранени чрез отгряване на структурите при 900 °C (1652 °F) – допълнителна стъпка, разрешена, но при много по-ниска температура от обичайната допълнителна стъпка на синтероване. След това спектърът на структурите беше съпоставен с търговски разтопен субстрат от силициево стъкло. Докато отгряването на 3-D микроструктурите може да доведе до тяхното свиване или изкривяване, авторите установиха, че максималното свиване за техните силициеви стъклени структури е около 6 процента, в сравнение с между 16 процента и 56 процента за стъклени предмети, направени чрез литография и методи за директно мастило .. .

В допълнение към малка чаша за доказателство на концепцията за вино и оптичен резонатор, авторите отпечатаха малка версия на логото на KTH, конзола и конична спирала, както и оптичен връх от силициево стъкло. Те вярват, че техният метод може да се използва и за създаване на персонализирани лещи за медицински устройства и микророботи. Покриването на 3D отпечатани микроструктури с нанодиаманти или железни наночастици може да позволи по-нататъшно разработване на интеграционните свойства на хибридната квантова фотоника или съответно магнитно премахване на контрола на движението на структурите.

„Притесненията при интегрирането на методи за 3D печат обикновено са различни за различните приложения,“ каза съавторът Бо Хан Хуанг, аспирант в KTH. „Въпреки че все още е необходима оптимизация на нашия метод за различни приложения, ние вярваме, че нашият метод осигурява важен и необходим пробив за 3D печат върху стъкло за използване в практически сценарии.“

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