Một nhóm các nhà khoa học Thụy Điển đã phát triển một công nghệ in 3D mới thủy tinh silic Đơn giản hóa quy trình sử dụng nhiều năng lượng phức tạp. Để chứng minh ý tưởng, họ đã in chiếc ly uống rượu nhỏ nhất thế giới (làm bằng thủy tinh thật) sử dụng khung nhỏ hơn chiều rộng của một sợi tóc, cũng như bộ cộng hưởng quang học cho hệ thống thông tin liên lạc sợi quang—một trong số những ứng dụng tiềm năng cho Các thành phần thủy tinh silica in 3D. Họ mô tả phương pháp mới của họ trong tờ giấy cuối cùng Trong truyền thông tự nhiên.

“Xương sống của Internet dựa trên các sợi quang làm bằng thủy tinh,” đồng tác giả Christine Gilvason cho biết từ Viện Công nghệ Hoàng gia KTH ở Stockholm. “Trong các hệ thống này, tất cả các loại bộ lọc và bộ so sánh đều cần thiết, hiện có thể được in 3D bằng công nghệ của chúng tôi. Điều này mở ra nhiều khả năng mới.”

Theo các tác giả, thủy tinh silic (tức là silicon dioxide vô định hình) là một vật liệu vẫn còn nhiều thách thức đối với in 3D, đặc biệt là ở cấp độ vi mô, mặc dù một số phương pháp đang tìm cách giải quyết thách thức này, bao gồm in thạch bản và mực in. . Ngay cả những thứ đó cũng chỉ có thể đạt được kích thước tính năng theo thứ tự vài chục micromet, với một ngoại lệ học 2021 đã báo cáo độ chính xác ở cấp độ nano.

Nhưng tất cả những thứ đó đều được sử dụng gel sol Các quy trình liên quan đến các hỗn hợp hữu cơ khác nhau được nạp các hạt nano silica. Do đó, các cấu trúc được in cuối cùng là vật liệu tổng hợp chứa nhiều vật liệu hữu cơ và do đó thiếu các đặc tính mong muốn nhất của thủy tinh silica (ví dụ: độ ổn định nhiệt và hóa học, độ bền và độ trong suốt quang học trên một loạt các bước sóng). Nó đòi hỏi một bước thiêu kết bổ sung ở nhiệt độ cao khoảng 1.200 °C (2.192 °F) trong vài giờ để loại bỏ dư lượng hữu cơ và đạt được các đặc tính đó. Bước sử dụng nhiều năng lượng bổ sung này hạn chế nghiêm trọng các ứng dụng tiềm năng vì chỉ có thể sử dụng các vật liệu nền có thể chịu được nhiệt độ cao hơn. Một số phương pháp cũng yêu cầu các cấu trúc in 3D được lắp ráp thành một dạng cuối cùng, đây là một thách thức ở quy mô micromet.

Khi phát triển công nghệ in 3D thay thế cho thủy tinh silica, Gylfason et al. Trở thành hydro silsesquioxan (HSQ), một vật liệu giống như silica vô cơ có thể được tạo hình bằng tia điện tử, tia ion và các bước sóng nhất định của tia cực tím. Một ưu điểm chính là phương pháp của họ không dựa vào các hợp chất hữu cơ để hoạt động như chất cảm quang hoặc chất kết dính còn sót lại trên chất nền, như trường hợp của kỹ thuật in thạch bản hoặc viết mực trực tiếp. Thay vào đó, phương pháp của họ dựa vào liên kết chéo trực tiếp của các HSQ vô cơ.

Quá trình này có ba bước chính. Đầu tiên, họ thả HSQ hòa tan trong dung môi hữu cơ lên ​​một chất nền. Sau khi HSQ khô, chúng vạch ra hình dạng 3D mong muốn bằng cách sử dụng chùm tia laser phụ pico giây hội tụ. Cuối cùng, bất kỳ HSQ nào không được che phủ đều được hòa tan bằng cách sử dụng dung dịch kali hydroxit đơn giản. Quang phổ Raman của các vi cấu trúc được in cho thấy tất cả các tính năng mong đợi của thủy tinh silica.

Tuy nhiên, cũng có dấu vết còn sót lại của hydro và carbon. Đối với các ứng dụng yêu cầu thủy tinh silica tinh khiết hơn, các chất hữu cơ còn sót lại có thể được loại bỏ bằng cách ủ các cấu trúc ở 900 °C (1.652 °F)—một bước bổ sung được cho phép, nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với bước thiêu kết bổ sung thông thường. Sau đó, quang phổ của các cấu trúc được khớp với chất nền thủy tinh silica nóng chảy thương mại. Trong khi ủ các cấu trúc vi mô 3-D có thể khiến chúng co lại hoặc biến dạng, các tác giả nhận thấy rằng độ co rút tối đa đối với các cấu trúc thủy tinh silica của chúng là khoảng 6%, so với từ 16% đến 56% đối với các vật thể thủy tinh được tạo ra bằng phương pháp in thạch bản và mực in trực tiếp. . . .

Ngoài một chiếc ly uống rượu bằng chứng nhỏ và bộ cộng hưởng quang học, các tác giả đã in một phiên bản nhỏ của logo KTH, một công cụ đúc hẫng và một hình xoắn ốc hình nón, cũng như một đầu sợi quang thủy tinh silica. Họ tin rằng phương pháp của họ có thể được sử dụng để chế tạo thấu kính tùy chỉnh cho các thiết bị y tế và cả rô-bốt siêu nhỏ. Việc phủ các cấu trúc vi mô in 3D bằng kim cương nano hoặc hạt nano sắt có thể cho phép xây dựng thêm các đặc tính tích hợp của các quang tử lượng tử lai hoặc loại bỏ điều khiển chuyển động của cấu trúc bằng từ tính, tương ứng.

“Những lo ngại khi tích hợp các phương pháp in 3D thường khác nhau đối với các ứng dụng khác nhau,” đồng tác giả Bo Han Huang cho biết, một sinh viên tốt nghiệp tại KTH. “Mặc dù việc tối ưu hóa phương pháp của chúng tôi vẫn cần thiết cho các ứng dụng khác nhau, nhưng chúng tôi tin rằng phương pháp của chúng tôi mang lại một bước đột phá quan trọng và cần thiết cho việc in 3D trên kính để sử dụng trong các tình huống thực tế.”

DOI: Truyền thông Tự nhiên, 2023. 10.1038/s41467-023-38996-3 (về DOI).