美國加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學(xué)家及其學(xué)術(shù)合作者已經(jīng)展示了通過3D打印合成透明玻璃。這一發(fā)展可能最終導(dǎo)致改變激光器和其他包含光學(xué)元件器件的設(shè)計和結(jié)構(gòu)。該合成過程在發(fā)表于《先進(jìn)材料》的論文中有詳細(xì)介紹。

其他研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)表明玻璃的3D印刷是可能的，然而先前的演示涉及通過加熱印刷頭擠出熔融玻璃絲，或者使用激光來選擇性地熔融和熔化玻璃粉末。LLNL的做法不依賴于印刷熔融玻璃，而是研制了由玻璃顆粒的濃縮懸浮液形成的定制油墨，其流動性高度可控，因此可以在室溫下印刷。然后將印刷的元件進(jìn)行合理設(shè)計的熱處理，使其致密化并消除印刷過程的痕跡。最后，將處理后的元件進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量拋光。研究人員表示，該方法提高了光學(xué)元件實現(xiàn)光學(xué)均勻性的可能性。

LLNL材料工程師杜阮毅先生說：“為了印刷高品質(zhì)的光學(xué)元件，不應(yīng)該看到任何毛孔和線條，它們必須是透明的。”在找到合適的材料組分之前，他們試驗了大量的材料混合物。 “當(dāng)我們得到一個普通的配方，我們可以調(diào)整它，使材料可以在印刷過程中相融合。大多數(shù)其他印刷玻璃的方法是首先融化玻璃，然后冷卻下來，這可能會有殘余應(yīng)力導(dǎo)致開裂，而我們在室溫下打印，不存在這個問題。”

LLNL的方法使用通過直接墨水書寫過程擠出二氧化硅顆粒的漿料。印刷出的產(chǎn)品不透明，但干燥和熱處理后變得透明。研究人員說，與使用熔融玻璃的3D打印不同，該方法在打印期間不需要高溫，從而可實現(xiàn)更高的分辨率。

Nguyen說：“拋光復(fù)雜的或非球面的鏡片是相當(dāng)勞動密集型的，需要很多的技能，但拋光平面更容易。通過控制印刷組件的折射率，可以改變光線的彎曲度，從而使可以拋光的鏡面平坦化。”

研究人員說，他們不是替代傳統(tǒng)的光學(xué)器件，而是探索目前市場上不存在的化學(xué)成分梯度的新應(yīng)用。設(shè)計新穎的光學(xué)元件替代現(xiàn)成的光學(xué)元件可以減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，重量或成本。

研究人員說，該研究可以擴(kuò)大光學(xué)工程師的設(shè)計空間，也可能產(chǎn)生光學(xué)器件之外的應(yīng)用，包括具有復(fù)雜且先前無法獲得的玻璃微流體器件。由于具有光學(xué)透明性、耐化學(xué)腐蝕性、機(jī)械性能以及具有調(diào)整其表面化學(xué)性能和官能度的能力，玻璃是微流體學(xué)的一種珍貴材料。然而，玻璃難以加工和蝕刻以實現(xiàn)幾何形狀復(fù)雜的微流體裝置。玻璃的3D打印可能會改變這一現(xiàn)狀，研究團(tuán)隊還展示了簡單的微流控網(wǎng)絡(luò)的3D打印。現(xiàn)在該研究團(tuán)隊已經(jīng)證明印刷透明玻璃是可能的，研究人員正在通過改變玻璃的組成，實現(xiàn)制作高品質(zhì)光學(xué)和漸變折射率透鏡。下一個需要克服的障礙是漸變折射率（GRIN）光學(xué)元件，這將需要對過程進(jìn)行更多的熟悉和控制。（工業(yè)和信息化部電子第一研究所  張慧）

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