瑞典科学家制作出世界上最小的3D打印玻璃酒杯

科学家们还用硅玻璃制作了一种用于电信的微型光学谐振器。

一组瑞典科学家开发了一种新型的二氧化硅玻璃3D打印技术，该技术可以简化复杂的能源密集型过程。作为概念的证明，他们3D打印了世界上最小的酒杯，这可是由真正的玻璃制成，其边缘小于一根头发的宽度。同时，他们还制作出了用于光纤电信系统的光学谐振器，这也是3D打印二氧化硅玻璃组件的几个潜在应用之一。他们在最近发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中描述了他们的新方法。

位于斯德哥尔摩的瑞典皇家理工学院（KTH）的合著者克里斯汀·吉尔法森（Kristinn Gylfason）说：“互联网的骨干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，现在终于可以通过我们的技术实现3D打印。这也开启了许多新的可能性。”

根据作者的说法，二氧化硅玻璃（即非晶态二氧化硅）是3D打印仍然具有挑战性的一种材料，特别是在微观尺度上，尽管有几种方法试图解决这一挑战，包括立体光刻，直接墨水书写和数字光处理。即使是那些也只能实现几十微米的特征尺寸，除了2021年的一项研究报告了纳米级的分辨率。

但所有这些技术都使用“溶胶-凝胶”工艺，包括装载二氧化硅纳米颗粒的不同有机混合物。因此，最终的打印结构是由许多有机材料组成的复合材料，因此，缺乏二氧化硅玻璃最理想的特性：热稳定性和化学稳定性、硬度、在宽波长范围内的光学透明度。它需要在大约1200摄氏度（2192华氏度）的高温下进行几个小时的额外烧结步骤，以去除有机残留物并获得这些特性。这种能量密集的额外步骤，严重限制了潜在的应用，因为只有能够承受如此高温的衬底材料才能使用。一些方法还需要将3D打印结构组装成最终形式，这在微米尺度上是具有挑战性的。

在开发3D打印二氧化硅玻璃的替代技术时，研究人员转向了氢硅氧烷（HSQ），这是一种类似于二氧化硅的无机材料，可以通过电子束、离子束和特定波长的紫外光进行模塑。一个主要的优点是，他们的方法不依赖于有机化合物作为光引发剂或粘合剂留在基材上，而不是像立体光刻或直接墨水书写那样。相反，他们的方法依赖于无机HSQ的直接交联。

这个过程有三个主要步骤。首先，他们在基板上滴铸溶解在有机溶剂中的HSQ。一旦HSQ干燥，他们使用聚焦的亚皮秒激光束追踪所需的3D形状。最后，任何未暴露的HSQ都可以用简便的氢氧化钾溶液再次溶解。打印微结构的拉曼光谱，显示了二氧化硅玻璃的所有预期特征。

然而，也还会有残留的氢和碳的痕迹。对于需要更纯净的二氧化硅玻璃的应用，可以通过在900摄氏度（1652华氏度）下退火结构来去除残留的有机物，当然，这是一个额外的步骤，但比通常的额外烧结步骤温度低得多。之后，这些结构的光谱与商用熔融石英玻璃基板的光谱相匹配。虽然，退火3D打印的微结构会导致它们收缩或扭曲，但研究人员发现，二氧化硅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作的玻璃物体的收缩率在16%到56%之间。

这次试验中，除了概念验证的微型葡萄酒杯和光学谐振器外，研究人员还打印了一个微型版本的KTH徽标，一个悬臂，一个锥形螺旋，以及一个硅玻璃光纤尖端。他们相信，他们的方法也可以用于制造医疗设备和微型机器人的定制镜片。在3D打印的微结构上涂覆纳米钻石或铁纳米颗粒，可以进一步定制性能，分别用于混合量子光子学集成或磁去除结构的运动控制。

合著者、KTH研究生黄宝涵（音译）表示：“对于不同的应用，集成3D打印方法的考虑通常是不同的，尽管我们的方法仍然需要针对不同的应用进行优化，但我们相信，我们的方法为3D玻璃打印在实际场景中的应用提供了一个重要和必要的突破。”

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