Nieuwe manier om 3D-printen van silicaglas op nanoschaal uit te voeren, zorgt voor veel lagere temperaturen

Fabricage van hoogwaardige nanostructuren van gesmolten silicium uit een met acrylaat gefunctionaliseerde POSS-hars. (A) Schematische synthese door middel van TPP 3D-printen en daaropvolgende thermische behandeling bij 650°C. (B tot I) Microfoto’s van gesmolten silicastructuren: (B) fotonisch kristal van houtstapel met inzet optische ware kleur blauwviolet lichtreflectie (voorste structuur), (C) close-up bovenaanzicht van patroon van 97 nm brede lijnen , (D en E) octet nanorooster bestaande uit> 5000 bundels, (F en G) parabolische microlenzen, (H) 150-um-tall multilens diffractief micro-objectief met inzet optische microfoto, en (I) close-up van de nanogestructureerd Fresnel-lenselement. Schaalbalk in (C), 100 nm; alle andere schaalstaven, 10 um. Credit: Wetenschap (2023). DOI: 10.1126/science.abq3037

Materiaalwetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology, de University of California, Irvine en Edwards Lifesciences hebben een manier ontwikkeld om glasstructuren op nanoschaal in 3D te printen bij veel lagere temperaturen dan eerdere methoden.

In hun studie, gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap, Jens Bauer, Cameron Crook en Tommaso Baldacchini gebruikten hun techniek om verschillende nanostructuren te printen. Paolo Colombo en Giorgia Franchin van de Universiteit van Padova hebben in hetzelfde tijdschriftnummer een Perspective-stuk gepubliceerd waarin de methoden worden beschreven die worden gebruikt om glazen en keramiek op nanoschaal te printen en het werk dat door het team aan deze nieuwe inspanning is gedaan.

In de afgelopen jaren is 3D-printen toegepast op een verscheidenheid aan toepassingen, wat heeft geleid tot indrukwekkende kunstwerken, goedkopere producten en zeer gedetailleerde fysieke modellen. Een toepassing die belangstelling heeft gewekt, is het 3D-printen van objecten op nanoschaal – dergelijke objecten zijn nuttig bij het maken van kleine elektronische apparaten, met name die onderdelen die licht gebruiken. Tot nu toe waren de meeste van dergelijke toepassingen beperkt tot het produceren van objecten gemaakt van polymeren vanwege het gemak waarmee het basismateriaal kan worden gesmolten en vervolgens kan uitharden door afkoeling.

Maar polymeren bieden niet de resolutie die nodig is voor op licht gebaseerde nanofotonica. Helaas zijn pogingen om 3D-glasstructuren te printen slechts gedeeltelijk succesvol geweest vanwege de extreem hoge temperaturen die nodig zijn voor sinteren (smelten tot een vaste massa). In deze nieuwe poging vond het onderzoeksteam een ​​manier om structuren op nanoschaal te printen bij temperaturen die bijna de helft zijn van die van traditionele benaderingen.

In plaats van gesuspendeerde silica-nanodeeltjes te gebruiken, zoals bij andere methoden, creëerden de onderzoekers een kooivormige structuur van vloeibare hars rond polyedrische oligomere silsesquioxaanmoleculen. Het team gebruikte de hars vervolgens als inkt om objecten in 3D te printen en verwarmde ze vervolgens tot 650°C (andere methoden vereisen verhitting tot 1100°C). Door verwarming werden de organische componenten verwijderd en werden de kooien gesmeed tot een doorlopend glasmateriaal.

Het team testte hun aanpak door microlenzen en andere kleine objecten in 3D te printen en suggereerde dat het zou kunnen worden gebruikt voor het printen op de chip van gesmolten silica van optische kwaliteit.