科学家从弗莱堡大学3D打印机制造商Nanoscribe利用双光子聚合(2PP)系统制备了分辨率仅为0.1微米的玻璃硅微结构。
利用他们的新型聚合物基树脂“Glassomer”，该团队3D打印出了表面粗糙度为6纳米的物体，比许多其他玻璃部件的40-200纳米要小得多。在未来，科学家们相信他们独特的印刷、脱脂和烧结工艺可以用于生产具有潜在生物医学应用价值的下一代微光学产品。
弗莱堡大学(University of Freiburg)教授巴斯蒂安·拉普(Bastian Rapp)表示:“这项技术首次允许使用最令人兴奋的3D打印技术之一来加工玻璃。”“有了这一技术，以前无法实现的结构细节和组件将变得非常容易。”
微玻璃光学的发展
硅酸盐玻璃提供了高水平的光学透明度和耐热和耐化学性能，使其成为光学、微流体和化学应用的理想材料。然而，在研磨和抛光等制造过程中使用时，通常只能创建具有简单几何形状和微米级精度的对象。
同样，当使用激光辅助蚀刻技术生产时，硅酸盐玻璃零件往往有40 - 200nm的粗糙表面，在使用前需要过多的后处理。另一方面，2PP使用双光子吸收，这限制了打印过程中的聚合体素，产生更高分辨率的部件，表面更光滑。
这种技术经常被用来制造塑料、陶瓷或金属物体，尽管广泛的2PP玻璃研发正在进行，但该工艺尚未完善。考虑到完全优化的玻璃硅酸盐部件的商业生物医学潜力，弗莱堡团队决定与Nanoscribe合作，创新一种改进的3D打印工艺。
科学家的“Glassomer”过程
研究人员新方法的核心是他们的新型玻璃硅酸盐纳米复合材料，它由黏合剂基质中包裹的二氧化硅纳米颗粒组成。虽然该团队之前已经在SLA流程中使用了这种材料，但由于其低透明度，他们无法使用它来2PP 3D打印玻璃光学。
为了解决这个问题，科学家们增加了树脂的化学交联，以提高固化速度。这不仅有助于其化学稳定性，而且使其透明度达到91.6%。利用修订后的组合和photonics Professional GT2 3D打印机，该团队随后制作了一系列聚合物纳米结构的原型。
一旦打印出来，样品将浸泡在甲醇中以消除任何非聚合材料，并在600°C的温度下加热以去除聚合物粘合剂。随后，这些部件被烧结成熔融石英玻璃，尽管这些部件有轻微的收缩，但它们也可以打印成高度复杂的结构。
为了证明这一点，该团队3D打印了三个直立微透镜，其表面粗糙度为6.1纳米，不需要任何后处理。此外，该器件的平均折射率为1.4585，这使得它们几乎与商业玻璃光学器件具有相同的特性。
通过进一步的研发和特定于应用的参数设置，该团队得出结论，他们的新方法可以用于创建新一代超光滑玻璃组件，具有广泛的光子学、生命科学和生物医学工程应用。
纳米3D打印的进展
Nanoscribe是新兴的2PP 3D打印市场的早期领导者之一，该市场上的公司竞相开发制造日益复杂的微观部件的工艺。
Nanoscribe推出了2PP量子X 3D打印机2019年6月，它能够产生200微米的折射和衍射微光学。当时，该公司的联合创始人迈克尔·泰尔(Michael Thiel)声称，这款机器为用户提供了“前所未有的设计自由度和易用性”。
同样的,2页专家UpNano推出了NanoOne 3 d打印机就在上个月。该公司的首次商业发射已经在业界和学术界获得了几份订单，这反映出该技术的研究应用日益增长。
2PP 3D打印也发现了实验应用，一个基于格勒诺布尔大学试图利用磁场来控制他们的添加剂微观结构。将微珠包埋在年falcon-shaped打印在美国，科学家们能够有效地让它“飞”起来。
研究人员的研究结果详细发表在题为《制备透明石英玻璃微结构的纳米复合材料的双光子聚合。该研究由弗雷德里克·科茨、亚历山大·s·奎克、帕特里克·里施、坦雅·马丁、托比亚斯·胡斯、迈克尔·泰尔、多罗特娅·海尔默和巴斯蒂安·e·拉普共同撰写。
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特色图像显示了一个团队的3D打印熔融石英玻璃透镜的侧面视图。图片来自巴斯蒂安·拉普。
