Cамый маленький в мире бокал для вина, напечатанный на 3D-принтере.

/ Самая маленькая в мире 3D-печатная рюмка из кварцевого стекла (слева) и оптический резонатор для оптоволоконной связи, сфотографированные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Ободок стекла меньше ширины человеческого волоса.

По словам авторов, кварцевое стекло (то есть аморфный диоксид кремния) остается одним из материалов, который остается сложным для 3D-печати, особенно в микромасштабе, хотя несколько методов пытаются решить эту проблему, включая стереолитографию, прямое письмо чернилами и цифровую обработку света. Им удалось достичь размеров элементов порядка нескольких десятков микрометров.

Все текущие способы используют золь-гель процессы с участием различных органических смесей, содержащих наночастицы диоксида кремния. Таким образом, конечные печатные структуры представляют собой композиты со многими органическими материалами, поэтому им не хватает наиболее желаемых свойств кварцевого стекла (например, термическая и химическая стабильность, твердость, оптическая прозрачность в широком диапазоне длин волн). Требуется дополнительная стадия спекания при высоких температурах около 1200° по Цельсию в течение нескольких часов для у даления органических остатков и достижения этих свойств. Этот энергоемкий дополнительный шаг серьезно ограничивает возможности применения, поскольку можно использовать только материалы подложки, способные выдерживать такие высокие температуры. Некоторые подходы также требуют сборки 3D-печатных структур в окончательную форму, что является сложной задачей в микрометровом масштабе.

При разработке альтернативного метода 3D-печати кварцевого стекла авторы использовали водородный силсесквиоксан (HSQ), неорганический материал, похожий на кремнезем, которому можно придать форму с помощью электронных лучей, ионных лучей и определенных длин волн ультрафиолетового света. Одним из основных преимуществ является то, что их метод не использует органические соединения в качестве фотоинициаторов или связующих, которые остаются на подложке, как при стереолитографии или прямом письме тушью. Вместо этого их метод основан на прямом сшивании неорганического HSQ.

Процесс состоит из трех основных этапов. Во-первых, они каплями наносят на подложку HSQ, растворенный в органических растворителях. Как только HSQ высыхает, они обводят желаемую трехмерную форму с помощью сфокусированного субпикосекундного лазерного луча. Наконец, любой неэкспонированный HSQ растворяется с помощью удобного применения раствора гидроксида калия. Рамановская спектроскопия напечатанных микроструктур показала все ожидаемые свойства кварцевого стекла. Однако были также следы остаточного водорода и углерода. Для применений, требующих более чистого кварцевого стекла, остаточную органику можно удалить путем отжига структур при 900°C — дополнительный этап, конечно, но при гораздо более низкой температуре, чем обычный этап дополнительного спекания. После этого спектр структур совпадал со спектром коммерческой подложки из плавленого кварцевого стекла. Хотя отжиг микроструктур, напечатанных на 3D-принтере, может вызвать их усадку или деформацию, авторы обнаружили, что максимальная усадка для их структур из кварцевого стекла составила около 6 процентов по сравнению с 16-56 процентами для стеклянных объектов, изготовленных с использованием стереолитографии и методов прямого письма тушью.

В дополнение к экспериментальному крошечному бокалу для вина и оптическому резонатору авторы напечатали крошечную версию логотипа, кантилевер и коническую спираль, а также наконечник оптоволокна из кварцевого стекла. Они считают, что их метод можно использовать для изготовления индивидуальных линз для медицинских устройств и микророботов. Покрытие напечатанных на 3D-принтере микроструктур наноалмазами или наночастицами железа может обеспечить дальнейшую адаптацию свойств для интеграции гибридной квантовой фотоники или магнитного удаления управления движением структур, соответственно.

Подробнее: DOI: Nature Communications, 2023 10.1038/s41467-023-38996-3 🔗