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

瑞典科学家团队Z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Z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Z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”

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Z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Z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。Z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Z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Z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。