来源：长三角G60激光联盟
瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)研究人员用新方法3D打印出世界上最小的葡萄酒杯，该技术可用于制造从电信到机器人等一系列应用的硅玻璃结构。相关研究以“Three-dimensional printing of silica glass with sub-micrometer resolution”为题发表在《Nature Communications》上。
二氧化硅玻璃是一种高性能材料，用于许多应用，如镜片，玻璃器皿和纤维。然而，微型硅玻璃结构的现代增材制造需要在约1200°C下烧结3D打印的硅纳米颗粒负载复合材料，这会导致严重的结构收缩并限制衬底材料的选择。文中，3D打印的固体硅玻璃与亚微米分辨率被证明无需烧结步骤。这是通过局部交联氢硅氧烷硅玻璃利用非线性吸收亚皮秒激光脉冲实现的。打印后的玻璃是光学透明的，但显示出高比例的四元硅氧环和光致发光。可选的900°C退火使玻璃与熔融二氧化硅难以区分。通过3D打印光学微环形谐振器、发光源和光纤尖端悬浮板，证明了该方法的实用性。这种方法在光子学、医学和量子光学等领域具有广阔的应用前景。
世界上最小的3D打印葡萄酒杯(左)和用于光纤通信的光学谐振器，在KTH皇家理工学院用扫描电子显微镜拍摄。玻璃杯的边缘比人类头发的宽度还小。图片来源:KTH皇家理工学院
研究人员3D打印出了世界上最小的酒杯，其边缘比人类头发的宽度还小。打印玻璃是为了展示一种新的简化技术，克服了3D打印基本硅玻璃组件时需要热处理等复杂问题。用于制造从电信到机器人等一系列应用的硅玻璃结构。
图1:激光直写的硅玻璃微结构3D打印。
该技术可以用于进行微创手术的医疗机械的定制镜片，在极端环境中导航的微型机器人，或光纤网络的过滤器和耦合器等。研制出一种光纤滤光片，研究人员表示，这项技术可以直接在一根像人类头发一样细的光纤尖端打印设备。
图2： 用于提取单个体素尺寸的印刷单线的SEM图像。
图:3：横截面SEM图像显示打印后的硅玻璃是均匀的。
互联网的架构是基于玻璃制成的光纤。在这些系统中，需要各种滤波器和耦合器，现在可以通过该技术进行3D打印，将开启了许多新的可能性。
这种方法大大减少了3D打印硅玻璃所需的能量，而通常需要将材料加热到几百度，持续数小时。该方法的优点是不需要热处理，玻璃可以承受应用中的极端高温。
图4:3D打印玻璃的表征和退火效果。
图5：900℃退火后3D打印玻璃的TEM表征。
另一个好处是，这种方法可以使用现成的商业材料生产二氧化硅玻璃。消除热处理的需要增加了该技术在各种应用场景中广泛应用的可能性。对于不同的应用，集成3D打印方法时需要考虑的问题通常是不同的。尽管他们的方法仍然需要针对不同的应用进行优化，但研究相信他们的方法为3D玻璃打印在实际场景中的应用提供了重要且必要的突破。
图6:3D打印光学演示器及其表征。
图7：拉曼结构和光谱以及光致发光光谱。
综上所述，本研究的结果表明，研究人员的3D打印技术使得在衬底表面上不需要热后处理就可以增材制造具有亚微米特征的透明固体3D硅玻璃结构成为可能。这些能力远远超出了现有表面微加工技术的能力，包括那些利用生长、沉积、光刻、蚀刻和二氧化硅玻璃层的剥离的技术，以及那些通过电子的线性吸收或深紫外光直接交联氢硅氧烷(HSQ)的技术。另一方面，现有的硅玻璃3D制造方法在设计灵活性、集成度和适用基板材料方面受到严重限制。相比之下，研究人员的方法允许将具有优异光学功能的3D硅玻璃结构集成到包含预制微结构且无法承受高温的基板上，如3D打印在带有聚合物涂层的光纤尖端悬浮的硅玻璃板所示。研究人员的方法可以通过在3D打印的微观结构上涂上金属或其他功能材料来进一步扩展，从而定制最终3D结构的特性，或者在打印前将功能材料混合到氢硅氧烷(HSQ)中。例如，引入纳米金刚石可以实现混合量子光子集成，添加纳米铁颗粒可以实现打印结构的磁远程运动控制。凭借这些功能和广泛的有前途的扩展，研究人员的玻璃3D打印技术将在光子学，量子光学，流体学，3D打印微机电系统，机器人技术，细胞生物学和化学等领域得到应用。虽然超出了这项工作的范围，但利用亚皮秒激光脉冲进一步研究HSQ与二氧化硅玻璃多光子交联的机制将对研究和应用都有意义。
相关论文链接：
Three-dimensional printing of silica glass with sub-micrometer resolution. Nature Communications, doi.org/10.1038/s41467-023-38996-3
https://www.kth.se/en/
https://phys.org/news/2023-06-3d-world-smallest-wineglass-method.html
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