Královský technologický institut KTH
Tým švédských vědců vyvinul novou technologii pro 3D tisk Křemičité sklo Zjednodušuje složitý energeticky náročný proces. Jako důkaz konceptu vytiskli nejmenší sklenici na víno na světě (vyrobenou ze skutečného skla) pomocí rámu menšího než šířka jednoho vlasu a také optickým rezonátorem pro komunikační systémy s optickými vlákny – jednou z několika potenciálních aplikací pro 3D tištěné komponenty z křemičitého skla. Svou novou metodu popsali v Poslední papír In Nature Communications.
„Páteř internetu je založena na optických vláknech, která jsou vyrobena ze skla,“ řekla spoluautorka Christine Gilvasonová z KTH Royal Institute of Technology ve Stockholmu. „V těchto systémech jsou potřeba všechny druhy filtrů a komparátorů, které lze nyní 3D tisknout naší technologií. To otevírá mnoho nových možností.“
Křemičité sklo (tj. amorfní oxid křemičitý) je podle autorů jedním z materiálů, který je stále náročný pro 3D tisk, zejména na mikroskopické úrovni, i když se tuto výzvu snaží řešit několik přístupů, včetně litografie a inkoustu. Přímé a digitální zpracování světla . I ty byly schopny dosáhnout pouze velikosti prvků v řádu několika desítek mikrometrů, s jedinou výjimkou Studie 2021 které uváděly přesnost nanometrů.
Ale všechny se používají Sol Gel Procesy zahrnující různé organické směsi naplněné nanočásticemi oxidu křemičitého. Finální tištěné struktury jsou tedy kompozity obsahující mnoho organických materiálů, a proto postrádají nejžádanější vlastnosti křemičitého skla (tj. tepelnou a chemickou stabilitu, tvrdost a optickou transparentnost v širokém rozsahu vlnových délek). Vyžaduje další slinovací krok při vysokých teplotách kolem 1200 °C (2192 °F) po dobu několika hodin, aby se odstranily organické zbytky a dosáhlo se těchto vlastností. Tento extra energeticky náročný krok vážně omezuje potenciální aplikace, protože lze použít pouze substrátové materiály, které vydrží vyšší teploty. Některé přístupy také vyžadují sestavení 3D tištěných struktur do finální podoby, což je v mikrometrovém měřítku náročné.
Při vývoji jejich alternativní technologie 3D tisku pro křemičité sklo, Gylfason a kol. Změnit se v vodík silsesquioxan (HSQ), anorganický materiál podobný oxidu křemičitému, který lze tvarovat elektronovými paprsky, iontovými paprsky a určitými vlnovými délkami ultrafialového světla. Jednou z hlavních výhod je, že jejich metoda nespoléhá na organické sloučeniny, které působí jako fotosenzibilizátory nebo pojiva, která zůstávají na substrátu, jako je tomu v případě litografie nebo přímého inkoustového psaní. Místo toho jejich metoda spoléhá na přímé zesíťování anorganických HSQ.
Proces má tři hlavní kroky. Nejprve na substrát nakapali HSQ rozpuštěný v organických rozpouštědlech. Jakmile HSQ zaschne, obkreslí požadovaný 3D tvar pomocí zaostřeného sub-pikosekundového laserového paprsku. Nakonec se jakýkoli nezakrytý HSQ rozpustí pomocí obyčejného roztoku hydroxidu draselného. Ramanova spektroskopie vytištěných mikrostruktur ukázala všechny očekávané vlastnosti křemičitého skla.
Byly zde však také zbytkové stopy vodíku a uhlíku. Pro aplikace vyžadující čistější křemičité sklo lze zbytkové organické látky odstranit žíháním struktur při 900 °C (1 652 °F) – další krok je zajištěn, ale při mnohem nižší teplotě, než je obvyklé dodatečné slinování. Poté bylo spektrum struktur přizpůsobeno komerčnímu substrátu z taveného křemičitého skla. Zatímco žíhání 3-D mikrostruktur může způsobit jejich smrštění nebo deformaci, autoři zjistili, že maximální smrštění jejich struktur z křemičitého skla bylo asi 6 procent, ve srovnání s 16 procenty až 56 procenty u skleněných objektů vyrobených pomocí litografie a metod přímého barvení. .. .
Kromě malé skleničky na víno a optického rezonátoru vtiskli autoři malou verzi loga KTH, konzolu a kuželovitou spirálu a také optický hrot z křemičitých skleněných vláken. Věří, že jejich metoda by mohla být použita k výrobě vlastních čoček pro lékařské přístroje a mikroroboty. Potažení 3D tištěných mikrostruktur nanodiamanty nebo železnými nanočásticemi by mohlo umožnit další přizpůsobení integračních vlastností hybridní kvantové fotoniky, respektive magneticky odstranění řízení pohybu struktur.
„Obavy při integraci metod 3D tisku se obvykle liší pro různé aplikace,“ řekl spoluautor Bo Han Huang, postgraduální student na KTH. „Ačkoli je optimalizace naší metody stále potřebná pro různé aplikace, věříme, že naše metoda poskytuje důležitý a nezbytný průlom pro 3D tisk na sklo pro použití v praktických scénářích.“
DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038 / s41467-023-38996-3 (o DOI).
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.
