《Science》：双光子技艺3D打印新型纳米玻璃无需高温烧结

　　2023年6月22日，南极熊获悉，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的商酌人员开发了一种新的石英玻璃3D打印工艺，操纵双光子聚集手艺完成了自由景色熔融二氧化硅纳米组织的免烧结打印创作，这在3D打印界限引起不小的惊动。我的酌量照旧揭晓在了《Science》上，题目为《A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass》(《一种无烧结、低温的3D打印纳米级光学玻璃的工艺》)。

　　基于烧结的功夫平昔在石英玻璃的3D打印中攻陷主导地位。可是，二氧化硅基纳米粒子的烧结需要将质料加热到 1100 °C 的温度，这看待打印半导体芯片等来叙太热了。在如此高的温度下，就不大约在微体例技能中使用打印的石英玻璃机关，因此思要在微编制中打印石英玻璃机合本来是个贫穷，在本领上也无法完成宏伟打破。

　　在此研究中，考虑者们瞄准的是双光子集合时期，由来微编制技术而今主要限定于平面构造，而纳米离别率下几乎不受桎梏的 3D 联想自由度使双光子汇合 (TPP) 3D 打印具有从根底上变更微系统工夫的潜力。TPP打印是基于光敏材料的激光曝光，这些原料最常见的是具有固有可变光学、板滞效用以及有限情况褂讪性的召集物。总而言之， TPP 有助于直接在微芯片上原位3D打印事势混乱的汇集物自由形态微米和纳米机关的潜力。

　　由 Jens Bauer 博士教导的琢磨小组开垦了一种无烧结、低温的3D打印纳米级玻璃构造的新工艺，工艺温度约为原来的一半。

　　考虑人员创作了一种混合有机-无机汇合物的树脂，作为考虑的初始质料，这种液态树脂由多面体低聚倍半硅氧烷分子 (POSS) 组成，这些是轻细的笼状二氧化硅分子，上面附着有机官能团。

　　然后，推敲人员寄予双光子聚集时期来3D打印这种 POSS 树脂。一旦 3D 打印的有机-无机纳米布局变成，它就会在管式炉中的空气中加热到 650°C，从而清扫基础树脂的有机因素并聚关 POSS 树脂的无机身分。

　　在后照料中，打印物体被搁置在异丙醇-酒精浴中20分钟以消融结余的未固化树脂。该经过是为非常到通通且连缀的微米级或纳米级熔融石英构造。由于POSS树脂自身是硅氧分子搜集，末了打印出来的组织是由纯二氧化硅制成的熔融二氧化硅，完备没有烧结，温度也很低。想考人员指出：“较低的温度可能直接在半导体芯片上自由打印从容的光学级玻璃机合，并具有可见光纳米光子学所需的离别率。“

　　推敲人员该团队在多个物体上考试了该方法并制造了各类纳米级构造，征求独自光束的光子晶体、抛物面微透镜和具有纳米组织元件的多透镜微物镜。体验 TPP 打印了具有非球面外表的平凸熔融石英微透镜，并对其实行了数值优化以改革球面像差。结果的 POSS 玻璃镜片，基直径为 82 毫米，矢状（弧垂）高度为 15 毫米，在 650°C 下实行料理，具有原始结构质量，具有精密的纳米级外面和腻滑外面。实验成效解释研究提出的新工艺可能具有四倍的分袂率加强成绩，从而驱策可见光纳米光子学，同时也开荒了良多也许的使用。

　　Jens Bauer 博士的团队已经得胜地经验 3D 打印的技术生产了多种纳米级石英玻璃构造，周备没有任何烧结。3D 打印的纳米级石英玻璃构造也可以直接打印到半导体芯片上。这种玻璃 3D 打印的新工艺为高科技操纵、光子学和微光学开导了很多幽默且具有前瞻性的大略性。POSS-玻璃 TPP 3D 打印途径大抵有助于重新定义硅玻璃自由局面制造的榜样，并征服主导该范围的基于粒子的要领的底子限制性。

　　●酌量的关键更始在于拓荒的 POSS 树脂，与载有颗粒的粘合剂相反，它是自己齐集成连接的硅氧分子收集。因而，该质料防范了将分离二氧化硅颗粒烧结成相联体 所需的异常温度，从而仅在 650°C 时即可转折为熔融二氧化硅。

　　●基于 TPP 法子 ，始末将温度消沉约 500°C，这使得二氧化硅玻璃的自由事势合成低于微编制时期根底资料的熔点，搜罗银、铜、金和铝。这代表了一项突破，使明后物质的片上 3D 打印从早先进的有机齐集物进展为弹性光学级熔融石英。

　　●POSS 玻璃工艺打破了临界区分率限制，在可见光谱 中实行了自由场合的二氧化硅纳米光子器件，同时可能缔造数百个微米尺寸的高纵横比构造。

　　总的来谈，此商酌开导的无烧结玻璃打印告终了光学质地、笨拙弹性、加工简易性和多尺寸轨范的的组关，并为普遍无机固体的微米级和纳米级3D打印设定了基准。POSS 玻璃的潜在利用领域相当盛大，征求微光学和光子学、MEMS、微流体、生物医学修立以及本源研究。用例搜集用于从调理内窥镜到破费电子产品的耐老化和耐状况的超紧凑型成像体例、高精度传感器、深空义务、用于二极管激光器端面的光束整形元件等。