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港理工/港大/港城大《Nat. Commun.》：亞微米精度單光子3D打印熔融石英玻璃

閱讀：548 發(fā)布時(shí)間：2024-4-10

透明熔融石英玻璃作為一種重要材料，在現(xiàn)代社會(huì)中具備廣泛應(yīng)用價(jià)值,。其性能使得它在日常生活,、科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用。盡管熔融石英玻璃具備優(yōu)異的光學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)耐久性等優(yōu)異特點(diǎn),，但其高硬度和高脆性使得其可加工能性備受詬病,。目前，傳統(tǒng)熔融石英玻璃微結(jié)構(gòu)制備工藝面臨著流程復(fù)雜,、成本高昂以及材料易碎等諸多挑戰(zhàn),，并且在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維（3D）結(jié)構(gòu)方面仍然存在巨大困難。這給新型玻璃微納米器件的開(kāi)發(fā),、高效制造和在先進(jìn)功能領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),。

近年來(lái)，以3D打印/增材制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)為玻璃加工行業(yè)帶來(lái)了全新變革和重大突破,。相較于傳統(tǒng)的減材及等材成型工藝,，這些新興技術(shù)以數(shù)字設(shè)計(jì)和逐層累積為手段，成為賦予玻璃構(gòu)件設(shè)計(jì)自由度高和精確成型能力的強(qiáng)大工具,，使得制造任意熔融石英玻璃三維結(jié)構(gòu)成為可能,。德國(guó)Karlsruhe理工學(xué)院科學(xué)家利用立體光刻（SLA）技術(shù)制備玻璃已取得重要突破（Nature, 2017, 544），成功實(shí)現(xiàn)了玻璃制品在質(zhì)量,、復(fù)雜度和精確度諸多方面的顯著提升,。這一里程碑式的進(jìn)展也預(yù)示著通過(guò)3D打印技術(shù)制造具有出色光學(xué)性能的玻璃結(jié)構(gòu)離普及更近了一步。隨著時(shí)間的推移,，全球范圍內(nèi)的研究者一直在不斷努力提升玻璃打印技術(shù)的精確性,。通過(guò)采用雙光子飛秒激光直寫(xiě)（TPP-DIW）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微納米尺寸3D分辨率的玻璃結(jié)構(gòu)的有效成形（Adv. Mater., 2021, 33）,。

然而,，盡管立體光刻和雙光子飛秒激光直寫(xiě)已分別實(shí)現(xiàn)了約50 μm和約100 nm的成型分辨率，并在宏觀及納觀尺度上顯著擴(kuò)展了玻璃三維構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)域,，但由于3D打印技術(shù)在精度和效率方面存在固有矛盾,，迄今為止，已有文獻(xiàn)中報(bào)道的方法無(wú)法有效地制造出既具有毫米/厘米級(jí)尺寸又帶有亞微米級(jí)特征的復(fù)雜玻璃三維結(jié)構(gòu),。這一限制嚴(yán)重影響了該技術(shù)在微光學(xué),、微流控、微機(jī)械及微表面等先進(jìn)領(lǐng)域上的應(yīng)用,。

有鑒于此,，香港理工大學(xué)3D打印中心溫燮文教授聯(lián)合香港大學(xué)機(jī)械工程系陸洋教授，在此前工作（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,，提出了一種通過(guò)摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制備同時(shí)具有亞微米特征及毫米/厘米級(jí)尺寸的熔融石英玻璃三維構(gòu)件的方法,。研究者選擇了聚乙二醇功能化的二氧化硅納米顆粒（平均直徑~11.5 nm）膠體和兩種丙烯酸酯作為聚合物前驅(qū)體，保證二氧化硅納米顆粒良好的相容性和分散性,。結(jié)合面投影微立體光刻3D打印靈活地創(chuàng)建具有復(fù)雜的三維亞微米結(jié)構(gòu)的高性能透明熔融石英玻璃,，其分辨率,、構(gòu)建速度及成型幅面均超越了目前大多數(shù)其他3D打印玻璃技術(shù)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1：通過(guò)面投影微立體光刻3D打印所得透明熔融石英玻璃,。（a）面投影微立體光刻3D打印示意圖,，呈現(xiàn)了打印所得熔融石英玻璃制成微縮維多利亞港的光學(xué)和電子顯微鏡圖像。（b）復(fù)合納米前驅(qū)體的各化學(xué)組分,。（c）面投影微立體光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透鏡陣列在高溫環(huán)境下展示了出色的穩(wěn)定性,。（d）4 × 6陣列的透明熔融石英玻璃蜂窩結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電子顯微鏡圖像，其中央的細(xì)長(zhǎng)懸線具有亞微米級(jí)別尺寸,。（e）該方案所制備的熔融石英玻璃在分辨率及成型速度上的關(guān)系圖,，及與已報(bào)道的其他同類技術(shù)的比較。

圖2：面投影微立體光刻3D打印所得具有多尺度臨界特征的透明熔融石英玻璃多層級(jí)點(diǎn)陣,。（a）多層級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),；（b）多層級(jí)點(diǎn)陣網(wǎng)絡(luò)；（c & d）單個(gè)多層級(jí)點(diǎn)陣胞元,；（e）多層級(jí)架構(gòu),；（f）基礎(chǔ)點(diǎn)陣；（g & h）基礎(chǔ)桿件及其具備的亞微米特征,。尺寸跨度由mm逐步減少到nm,，接近5個(gè)數(shù)量級(jí)。

利用面投影微立體光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透鏡陣列,，其具有亞納米級(jí)別的表面粗糙度（Ra≈0.633 nm）,。同時(shí)，研究者展示了通過(guò)3D打印制造的熔融石英玻璃微透鏡陣列在成像方面的出色能力,，具備優(yōu)良的均勻性,、清晰度,、對(duì)比度和銳度,。

圖3：面投影微立體光刻3D打印的具有亞納米級(jí)別表面粗糙度的熔融石英玻璃微透鏡陣列。單個(gè)透鏡的高精度光學(xué)顯微鏡圖像,，方框區(qū)域顯示了白光干涉共聚焦顯微鏡測(cè)試結(jié)果,，沿XY方向均能實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)別表面粗糙度，以此制備高均勻性,、高清晰度,、高對(duì)比度和高銳度的微透鏡陣列。

面投影微立體光刻3D打印技術(shù)賦予了熔融石英玻璃微流體器件高精度,、簡(jiǎn)化工藝,、高直視性、大結(jié)構(gòu)尺寸及復(fù)雜三維設(shè)計(jì)自由度,，進(jìn)一步展現(xiàn)出該器件出色的液滴/流體操控能力,。

圖4：面投影微立體光刻3D打印具備超疏水性能的仿生三維熔融石英玻璃微表面結(jié)構(gòu),，以及具有Y型流道的免鍵合三維熔融石英玻璃微流控芯片。超疏水仿生三維熔融石英玻璃微表面展現(xiàn)了優(yōu)異的液滴黏附能力（即“花瓣效應(yīng)"）,，即使在翻轉(zhuǎn)180°后仍能牢固鎖住液滴,；在免鍵合Y型流道三維熔融石英玻璃微流控芯片，由于表面張力占主導(dǎo),，兩種流體呈現(xiàn)了不互溶的“層流"現(xiàn)象,。

該工作進(jìn)行于香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實(shí)驗(yàn)室，相關(guān)成果以“One-photon Three-dimensional Printed Fused Silica Glass with Sub-micron Features"為題發(fā)表于國(guó)際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上,，課題組2020級(jí)博士研究生黎子永為該論文第一作者,。

在該研究中，熔融石英玻璃三維微納樣品由摩方精密2 μm精度的nanoArch® P130超高精密3D打印系統(tǒng)制備,。

港理工/港大/港城大《Nat. Commun.》：亞微米精度單光子3D打印熔融石英玻璃

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