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

更新時(shí)間：2024-04-10

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透明熔融石英玻璃作為一種重要材料，在現代社會(huì )中具備廣泛應用價(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(zhù)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，傳統熔融石英玻璃微結構制備工藝面臨著(zhù)流程復雜、成本高昂以及材料易碎等諸多挑戰，并且在實(shí)現復雜三維（3D）結構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)域的應用帶來(lái)了巨大的挑戰。

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。相較于傳統的減材及等材成型工藝，這些新興技術(shù)以數字設計和逐層累積為手段，成為賦予玻璃構件設計自由度高和精確成型能力的強大工具，使得制造任意熔融石英玻璃三維結構成為可能。德國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)現了玻璃制品在質(zhì)量、復雜度和精確度諸多方面的顯著(zhù)提升。這一里程碑式的進(jìn)展也預示著(zhù)通過(guò)3D打印技術(shù)制造具有出色光學(xué)性能的玻璃結構離普及更近了一步。隨著(zhù)時(shí)間的推移，全球范圍內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)現了微納米尺寸3D分辨率的玻璃結構的有效成形（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)現了約50 μm和約100 nm的成型分辨率，并在宏觀(guān)及納觀(guān)尺度上顯著(zhù)擴展了玻璃三維構件的應用領(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，已有文獻中報道的方法無(wú)法有效地制造出既具有毫米/厘米級尺寸又帶有亞微米級特征的復雜玻璃三維結構。這一限制嚴重影響了該技術(shù)在微光學(xué)、微流控、微機械及微表面等先進(jìn)領(lǐng)域上的應用。

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)機械工程系陸洋教授，在此前工作（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基礎上更進(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/厘米級尺寸的熔融石英玻璃三維構件的方法。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體，保證二氧化硅納米顆粒良好的相容性和分散性。結合面投影微立體光刻3D打印靈活地創(chuàng )建具有復雜的三維亞微米結構的高性能透明熔融石英玻璃，其分辨率、構建速度及成型幅面均超越了目前大多數其他3D打印玻璃技術(shù)幾個(gè)數量級。

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）復合納米前驅體的各化學(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定性。（d）4 × 6陣列的透明熔融石英玻璃蜂窩結構的光學(xué)和電子顯微鏡圖像，其中央的細長(cháng)懸線(xiàn)具有亞微米級別尺寸。（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，及與已報道的其他同類(lèi)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點(diǎn)陣。（a）多層級點(diǎn)陣結構；（b）多層級點(diǎn)陣網(wǎng)絡(luò )；（c & d）單個(gè)多層級點(diǎn)陣胞元；（e）多層級架構；（f）基礎點(diǎn)陣；（g & h）基礎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)數量級。

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，方框區域顯示了白光干涉共聚焦顯微鏡測試結果，沿XY方向均能實(shí)現亞納米級別表面粗糙度，以此制備高均勻性、高清晰度、高對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、大結構尺寸及復雜三維設計自由度，進(jìn)一步展現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構，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了優(yōu)異的液滴黏附能力（即“花瓣效應"），即使在翻轉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，兩種流體呈現了不互溶的“層流"現象。

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)表于國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上，課題組2020級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打印系統制備。

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