佐治亞理工齊航團隊《 Sci. Adv.》：低溫快速3D打印透明玻璃
時間：2023-10-12 10:14 來源：高分子科技 作者：admin 閱讀：次
二氧化硅玻璃因其卓越的光學透明度及熱、化學穩定性，成為現代工程應用中的關鍵材料之一，在電子、通信、化學、醫療等多個領域得到廣泛應用。然而，二氧化硅玻璃的高軟化點（1100°C）使得其加工制造過程極具挑戰性，尤其是透明玻璃復雜三維微結構的加工技術發展不足，嚴重阻礙了其在微光學、微流體及微機電系統（MEMS）等領域的應用。近年來3D打印技術的發展為解決這一問題提供了新思路，研究者們開發了多種基于3D打印技術的玻璃微結構制造方法，其中包括數字光處理（DLP）、墨水直寫（DIW）、立體光刻（CAL）和雙光子聚合（2PP）。這些方法先將負載顆粒（高達60
wt%）的犧牲性粘結劑前驅體材料聚合成型，然后通過高溫燒結將粘結劑去除，剩余二氧化硅顆粒最終熔融成致密的玻璃結構。盡管可以實現復雜微納器件的高精度打印，這些方法在應用中仍面臨諸多問題：其燒結溫度通常在1100°C甚至1300°C，過程長達數天，能量消耗較大；燒結溫度高于常用工程半導體材料如鍺、磷化銦等，限制了這些工藝在微納系統集成中的應用；高顆粒負載使得前驅體材料的調配較為復雜，存在顆粒分散、光散射、高粘度等難題。
近日，佐治亞理工學院齊航教授團隊提出了一種基于光化學轉化制造二氧化硅玻璃的3D打印技術，實現了低溫（220°C）、快速（僅需5小時）、高精度（<1μm）打印透明玻璃微結構。該工作以題為“Low-temperature 3D printing of transparent silica glass microstructures”的文章發表于Science Advances上。并受到雜志主頁亮點報道。
該技術通過結合雙光子打印和DUV轉化技術實現復雜精細玻璃微結構的制造。如圖一所示，該技術采用常見的光敏性聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為聚合物前驅體材料，無二氧化硅顆粒添加，調配過程簡單，通過雙光子技術將其聚合成固體微結構；隨后，在純氧環境中使用極紫外光（DUV）照射所打印的PDMS微結構。在DUV照射過程中，氧氣分子裂解產生臭氧和單線態氧O1D，其中高氧化性的O1D引發PDMS分子鏈中的Si−C鍵斷裂及碳組分的逸出，并最終形成Si−O−Si二氧化硅分子鏈。
研究團隊通過密度泛函理論計算（DFT）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線光電子能譜（XPS）、X射線衍射（XRD）、綜合熱重分析（TGA）等一系列材料表征技術證實了PDMS前驅體經過DUV處理成功地轉化為無定形態二氧化硅玻璃 （圖二）。采用原子力顯微鏡（AFM）力學性能量化模塊測得其楊氏模量約為27.1GPa；經測量，玻璃密度約為1.85 g/cm3。相比于熔融石英，這些值相對較低，這是由于其內部分子鏈的排列不夠致密，后期可通過退火處理使其達到熔融石英的值。
為了展示這一新型打印技術，研究團隊打印了多種復雜的三維玻璃微結構，包括微柱陣列（micropillar array）、木堆結構（woodpile microstructure）、點陣超結構（octet microlattice）等。如圖三所示，所打印的玻璃結構顯示約24%的各向同性線性收縮，且無裂縫或孔隙。X射線能譜儀分析（EDS）結果進一步證實所打印的微結構確為二氧化硅玻璃。
研究團隊進一步展示了這種新型3D打印玻璃技術在微光學和微流體等領域的應用。如圖四所示，利用該技術可以制造出具有優異光學性能的玻璃微透鏡元件，所制透鏡表面光滑，測量的表面粗糙度僅為1.5納米，透光率接近于商用熔融石英玻璃透鏡，在醫學、電子等領域亟需的微成像系統中有較大應用前景。由于二氧化硅玻璃的化學穩定性，不易受到酸、堿和其他腐蝕性物質的侵蝕，采用此技術所打印的玻璃微流體器件也可用于化學流反應器等系統中。
佐治亞理工齊航教授為該論文通訊作者，李明哲博士和岳亮博士為文章共同第一作者。文章合作者包括佐治亞理工的Arunkumar Chitteth Rajan博士，余璐霞博士，Harikrishna Sahu博士， S. Macrae Montgomery博士和Rampi Ramprasad教授。該工作于近日發表于Science Advances。
原文鏈接： http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958
近日，佐治亞理工學院齊航教授團隊提出了一種基于光化學轉化制造二氧化硅玻璃的3D打印技術，實現了低溫（220°C）、快速（僅需5小時）、高精度（<1μm）打印透明玻璃微結構。該工作以題為“Low-temperature 3D printing of transparent silica glass microstructures”的文章發表于Science Advances上。并受到雜志主頁亮點報道。
圖一：透明玻璃微結構的3D打印過程及機理。
該技術通過結合雙光子打印和DUV轉化技術實現復雜精細玻璃微結構的制造。如圖一所示，該技術采用常見的光敏性聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為聚合物前驅體材料，無二氧化硅顆粒添加，調配過程簡單，通過雙光子技術將其聚合成固體微結構；隨后，在純氧環境中使用極紫外光（DUV）照射所打印的PDMS微結構。在DUV照射過程中，氧氣分子裂解產生臭氧和單線態氧O1D，其中高氧化性的O1D引發PDMS分子鏈中的Si−C鍵斷裂及碳組分的逸出，并最終形成Si−O−Si二氧化硅分子鏈。
圖二：3D打印玻璃的材料表征。
研究團隊通過密度泛函理論計算（DFT）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線光電子能譜（XPS）、X射線衍射（XRD）、綜合熱重分析（TGA）等一系列材料表征技術證實了PDMS前驅體經過DUV處理成功地轉化為無定形態二氧化硅玻璃 （圖二）。采用原子力顯微鏡（AFM）力學性能量化模塊測得其楊氏模量約為27.1GPa；經測量，玻璃密度約為1.85 g/cm3。相比于熔融石英，這些值相對較低，這是由于其內部分子鏈的排列不夠致密，后期可通過退火處理使其達到熔融石英的值。
圖三：3D打印的各種玻璃微結構。
為了展示這一新型打印技術，研究團隊打印了多種復雜的三維玻璃微結構，包括微柱陣列（micropillar array）、木堆結構（woodpile microstructure）、點陣超結構（octet microlattice）等。如圖三所示，所打印的玻璃結構顯示約24%的各向同性線性收縮，且無裂縫或孔隙。X射線能譜儀分析（EDS）結果進一步證實所打印的微結構確為二氧化硅玻璃。
圖四：3D打印玻璃的微光學及微流體應用。
研究團隊進一步展示了這種新型3D打印玻璃技術在微光學和微流體等領域的應用。如圖四所示，利用該技術可以制造出具有優異光學性能的玻璃微透鏡元件，所制透鏡表面光滑，測量的表面粗糙度僅為1.5納米，透光率接近于商用熔融石英玻璃透鏡，在醫學、電子等領域亟需的微成像系統中有較大應用前景。由于二氧化硅玻璃的化學穩定性，不易受到酸、堿和其他腐蝕性物質的侵蝕，采用此技術所打印的玻璃微流體器件也可用于化學流反應器等系統中。
佐治亞理工齊航教授為該論文通訊作者，李明哲博士和岳亮博士為文章共同第一作者。文章合作者包括佐治亞理工的Arunkumar Chitteth Rajan博士，余璐霞博士，Harikrishna Sahu博士， S. Macrae Montgomery博士和Rampi Ramprasad教授。該工作于近日發表于Science Advances。
原文鏈接： http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958
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