随着3D打印技术的发展，其应用领域越来越广泛，其中之一就是纳米级3D打印物体。
然而，在制造微型电子设备中，大多数仅限于使用聚合物材料制造物体，因为聚合物材料可以容易地通过熔化和冷却硬化的方式加工。传统的二氧化硅玻璃3D打印一直是以颗粒烧结技术为主，需要将材料加热到 1100℃的温度，这对于打印半导体芯片等来说太热了。因此想要在微系统中打印石英玻璃结构一直是个难题。
近日，这一难题被突破。
由德国卡尔斯鲁厄理工学院（以下简称：KIT）纳米技术研究所（INT）的Jens Bauer博士领导的一个研究团队，开发出了一种无需烧结、低温实现3D打印硅玻璃的技术，可以制造出复杂的透明熔融石英玻璃纳米结构。该技术主要采用一种有机-无机混合聚合物（POSS）树脂用作二氧化硅3D打印的起始材料，仅在650℃时就能形成透明的熔融石英。论文以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”为题发表于《Science》杂志上。
论文标题截图
POSS:有机-无机聚合物树脂原料
研究人员开发了一种混合有机-无机聚合物树脂作为起始材料。这种液态树脂由所谓的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）分子组成，POSS分子是具有有机官能团的小笼状二氧化硅分子。
TPP打印
双光子聚合3D打印技术（TPP）可以实现在纳米分辨率下几乎不受约束的3D打印。
制作初始，研究人员依靠TPP技术来3D打印这种 POSS 树脂，将材料交联形成3D纳米结构。一旦结构形成，即将管式炉中的空气中加热到 650°C，以去除有机成分。同时，无机POSS保持架聚结，形成连续的石英玻璃微观结构或纳米结构。这样，其所需的温度仅为基于纳米颗粒烧结的工艺所需温度的一半。
后处理
在后处理中，打印物体被放置在异丙醇-酒精浴中20分钟以溶解剩余的未固化树脂。该过程是为了得到完整且连续的微米级或纳米级熔融石英结构。由于POSS树脂本身是硅氧分子网络，最终打印出来的结构就是由纯二氧化硅制成的熔融二氧化硅，完全没有烧结，温度也很低。
研究人员表示：“较低的温度使我们能够以可见光纳米光子学所需的分辨率将坚固、透明和自由形态的光学玻璃结构直接打印到半导体芯片上。”
除了优异的光学质量外，这种方式生产的石英玻璃还具有优异的机械性能，易于加工。
总的来说，这项研究的突破在于采用了低温条件下的3D打印技术，使得纳米级玻璃结构的制造变得可行。它突破了传统的需要高温烧结的方法，使用液态树脂笼状结构的方法使得纳米级结构能够以更低的温度固化成连续的玻璃材料。
该技术的应用前景非常广阔，可以应用于微电子领域，尤其是光学部件的纳米级3D打印制造。通过提高纳米级结构的分辨率，可以实现更小型化、更高性能的微型光学元件。此外，将该技术可以应用于光学级熔融石英的片上打印，为具备三维复杂结构的硅玻璃的设计和制备打开了新大门。
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参考文献：DOI: 10.1126/science.abq3037
栏目支持: 市科技工作党委、市教卫工作党委
编辑：彭湖
