科学家利用石英玻璃3D打印出世界上最小的酒杯和微型光学谐振器

2023年7月9日，南极熊获悉，瑞典科学家团队最近开发出一种创新的石英玻璃3D打印技术，能够简化复杂的能源密集型工艺。为了验证其潜力，他们成功使用该技术打印了世界上最小的酒杯，其边缘宽度甚至比一根人类头发还细。此外，他们还打印了用于光纤电信系统的光学谐振器，这是3D打印技术的另一个潜在应用领域。

△用扫描电子显微镜拍摄世界上最小的石英玻璃酒杯（左）和微型光学谐振器（右），玻璃的边缘比人类头发的宽度还小

瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的合著者Kristinn Gylfason表示：“互联网的主干网是建立在玻璃光纤基础上的。在这些系统中，需要使用各种滤波器和耦合器，而现在我们可以通过3D打印技术制造出这些滤波器和耦合器，这为我们带来了许多新的可能性。”

可以概括的说，这项石英玻璃3D打印技术的突破为3D打印领域带来了新的发展前景，将为能源和通信等领域的创新提供更多可能性。

△相关研究成果已发表在《自然通讯》杂志上，题目为“亚微米分辨率下的3D打印二氧化硅玻璃”（传送门）

技术背景

作者指出，针对二氧化硅玻璃（无定形二氧化硅）的3D打印仍存在挑战，特别是在微尺度上。虽然已经尝试了几种方法来解决这一问题，包括立体光刻、直接墨水书写和数字光处理等技术，但即使是最先进的技术也只能实现几十微米数量级的特征尺寸。目前使用的溶胶-凝胶工艺涉及将二氧化硅纳米颗粒负载到有机混合物中，因此最终的印刷结构是复合材料，而非纯石英玻璃，这导致了一些不理想的特性，如热稳定性、化学稳定性、硬度和宽波长范围内的光学透明度。

此外，还需要进行高温烧结步骤以去除有机残留物并实现所需的性能，这是一项能源密集型的额外步骤，严重限制了潜在的应用范围。部分方法还需要在微米尺度上将3D打印结构进行组装，这也带来了一定的挑战。

△通过直接激光写入3D打印石英玻璃微结构

新型石英玻璃的3D打印技术

该技术采用了氢倍半硅氧烷（HSQ）作为无机材料的替代品。这种无机材料类似于二氧化硅，并可以通过电子束、离子束和特定波长的紫外线进行图案化。与传统的立体光刻或直接墨水书写方法不同，他们的方法不依赖有机化合物作为光引发剂或粘合剂，而是直接使用无机HSQ进行交联。

该方法包括三个主要步骤。首先，将HSQ溶解在有机溶剂中，并滴在基材上。一旦HSQ干燥，使用聚焦的亚皮秒激光束将所需的3D形状绘制出来。最后，使用氢氧化钾溶液溶解未暴露的HSQ。拉曼光谱显示打印微结构具有石英玻璃的特征，但仍存在残留的氢和碳痕迹。为了去除这些有机物的残留并获得更纯净的石英玻璃，可以通过在较低温度下（约900°C）对结构进行退火的额外步骤。此后，结构的光谱与商业熔融石英玻璃基板的光谱相匹配。

需要注意的是，对3D打印微结构进行退火可能会导致一定程度的收缩或形变，但研究人员发现，其石英玻璃结构的最大收缩率约为6%，而使用立体光刻和直接墨水书写方法制造的玻璃物体的最大收缩率为16%至56%。这一新型的石英玻璃3D打印技术为实现更复杂、高精度的石英玻璃微结构提供了新的可能性，具有广阔的应用前景。

△3D打印光学演示器及其表征

广泛的应用前景

除了用于概念验证的微型酒杯和光学谐振器，研究团队还使用这种新型石英玻璃3D打印技术制造了微型版本的KTH徽标、悬臂、锥形螺旋以及石英玻璃光纤尖端。他们相信这种方法也可以应用于制造定制镜片，用于医疗设备和微型机器人。通过在3D打印的微结构上涂覆纳米金刚石或铁纳米粒子，可以进一步定制混合量子光子集成的特性，或通过磁力来控制结构的运动。

研究生和合著者Po-Han Huang表示：“集成3D打印方法时，不同应用的考虑因素通常不同。尽管不同的应用仍然需要我们方法的优化，但我们相信这一突破展示了将3D玻璃打印应用于实际场景的重要性和必要性。”这种新型石英玻璃3D打印技术的发展为定制化的微结构制造开辟了新的可能性，并具有广泛的应用前景。