Sebuah tim ilmuwan Swedia telah mengembangkan teknologi baru untuk pencetakan 3D Kaca silika Menyederhanakan proses intensif energi yang kompleks. Sebagai bukti konsep, mereka mencetak gelas anggur terkecil di dunia (terbuat dari gelas sebenarnya) menggunakan bingkai yang lebih kecil dari lebar sehelai rambut, serta resonator optik untuk sistem komunikasi serat optik—salah satu dari beberapa aplikasi potensial untuk Komponen kaca silika cetak 3D. Mereka menggambarkan metode baru mereka di Kertas terakhir Dalam Komunikasi Alam.

“Tulang punggung Internet didasarkan pada serat optik yang terbuat dari kaca,” kata rekan penulis Christine Gilvason dari KTH Royal Institute of Technology di Stockholm. “Dalam sistem ini, diperlukan semua jenis filter dan pembanding yang sekarang dapat dicetak 3D dengan teknologi kami. Ini membuka banyak kemungkinan baru.”

Kaca silika (yaitu, silikon dioksida amorf) adalah salah satu bahan yang tetap menantang untuk pencetakan 3D, terutama pada tingkat mikroskopis, menurut penulis, meskipun beberapa pendekatan sedang dilakukan untuk mengatasi tantangan ini, termasuk litografi dan tinta. . Bahkan mereka hanya mampu mencapai ukuran fitur pada urutan beberapa puluh mikrometer, dengan satu pengecualian Belajar 2021 yang melaporkan akurasi skala nano.

Tapi semua itu digunakan Sol Gel Proses yang melibatkan campuran organik berbeda yang dimuat dengan nanopartikel silika. Struktur cetak akhir oleh karena itu adalah komposit yang mengandung banyak bahan organik, dan dengan demikian tidak memiliki sifat kaca silika yang paling diinginkan (yaitu, stabilitas termal dan kimia, kekerasan, dan transparansi optik pada rentang panjang gelombang yang luas). Ini membutuhkan langkah sintering tambahan pada suhu tinggi sekitar 1.200 °C (2.192 °F) selama beberapa jam untuk menghilangkan residu organik dan mencapai sifat tersebut. Langkah intensif energi ekstra ini sangat membatasi aplikasi potensial karena hanya bahan substrat yang dapat menahan suhu lebih tinggi yang dapat digunakan. Beberapa pendekatan juga memerlukan struktur cetakan 3D untuk dirakit menjadi bentuk akhir, yang menantang pada skala mikrometer.

Saat mengembangkan teknologi pencetakan 3D alternatif mereka untuk kaca silika, Gylfason et al. Berubah menjadi hidrogen silsesquioksan (HSQ), bahan mirip silika anorganik yang dapat dibentuk oleh sinar elektron, sinar ion, dan panjang gelombang tertentu dari sinar ultraviolet. Salah satu keuntungan utama adalah bahwa metode mereka tidak bergantung pada senyawa organik untuk bertindak sebagai fotosensitizer atau pengikat yang tertinggal di substrat, seperti halnya dengan litografi atau penulisan tinta langsung. Sebaliknya, metode mereka bergantung pada tautan silang langsung dari HSQ anorganik.

Proses tersebut memiliki tiga langkah utama. Pertama, mereka menjatuhkan HSQ yang dilarutkan dalam pelarut organik ke substrat. Setelah HSQ mengering, mereka menelusuri bentuk 3D yang diinginkan menggunakan sinar laser sub-pikodetik terfokus. Terakhir, HSQ yang tidak tertutup dilarutkan dengan larutan kalium hidroksida biasa. Spektroskopi Raman dari mikrostruktur yang dicetak menunjukkan semua fitur yang diharapkan dari kaca silika.

Namun, ada juga jejak sisa hidrogen dan karbon. Untuk aplikasi yang membutuhkan lebih banyak kaca silika murni, residu organik dapat dihilangkan dengan anil struktur pada suhu 900 °C (1652 °F)—langkah tambahan yang diberikan, tetapi pada suhu yang jauh lebih rendah daripada langkah sintering tambahan biasa. Kemudian, spektrum struktur dicocokkan dengan substrat kaca silika leburan komersial. Sementara anil struktur mikro 3-D dapat menyebabkannya menyusut atau terdistorsi, penulis menemukan bahwa penyusutan maksimum untuk struktur kaca silika mereka adalah sekitar 6 persen, dibandingkan antara 16 persen dan 56 persen untuk objek kaca yang dibuat menggunakan litografi dan metode tinta langsung. . . .

Selain gelas anggur bukti konsep kecil dan resonator optik, penulis mencantumkan logo KTH versi kecil, kantilever, dan spiral berbentuk kerucut, serta ujung serat optik kaca silika. Mereka yakin metode mereka dapat digunakan untuk membuat lensa khusus untuk perangkat medis dan juga robot mikro. Melapisi mikrostruktur cetak 3D dengan nanodiamond atau partikel nano besi dapat memungkinkan penyesuaian lebih lanjut dari properti integrasi fotonika kuantum hibrid atau secara magnetis menghilangkan kontrol gerakan struktur.

“Kekhawatiran saat mengintegrasikan metode pencetakan 3D biasanya berbeda untuk aplikasi yang berbeda,” kata rekan penulis Bo Han Huang, seorang mahasiswa pascasarjana di KTH. “Meskipun optimalisasi metode kami masih diperlukan untuk aplikasi yang berbeda, kami yakin metode kami memberikan terobosan penting dan perlu untuk pencetakan 3D pada kaca untuk digunakan dalam skenario praktis.”

DOI: Komunikasi Alam, 2023. 10.1038 / s41467-023-38996-3 (tentang DOI).