佐治亞理工學院突破3D打印玻璃微結構新工藝，可使用深紫外光玻璃精密成形

2023年10月21日。南極熊獲悉，來自佐治亞理工學院的研究人員開發(fā)了一種新方法，使用紫外線而非極高的溫度來 3D 打印小型玻璃鏡片和其他結構，這將在醫(yī)療設備和研究應用領域大有作用。

新工藝將聚合物樹脂轉化為石英玻璃所需的熱量從 1,100 攝氏度降低到約 220 攝氏度，并將固化時間從半天或更長縮短到僅五個小時。研究人員使用這種新工藝來生產(chǎn)多種玻璃微結構，包括大約人類頭發(fā)寬度的微型透鏡，可用于體內醫(yī)學成像。

△博士生李明哲（左）和博士后學者梁悅（右）。照片：坎德勒霍布斯。資料來源：佐治亞理工學院。

由喬治·W·伍德拉夫機械工程學院 H.Jerry Qi 教授領導的團隊在《科學進展》雜志上描述了他們的方法。相關研究論文題目為“Low-temperature3D printing of transparent silica glass microstructures”。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958

Qi教授說：“這是一次探索性的嘗試，實驗表明可以在較低的溫度條件下制造陶瓷，二氧化硅也是一種可使用的陶瓷材料。這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。我們有一個由化學和材料科學領域的人員組成的團隊，致力于采用數(shù)據(jù)驅動的方法來突破界限，看看我們是否可以用這種方法生產(chǎn)更多的陶瓷�！�

隨著醫(yī)用內窺鏡鏡頭的小型化，這些 3D 打印玻璃結構可以創(chuàng)建微流體設備——通常是具有納米或微米級通道的小型計算機芯片類設備，用于研究運動中的細胞或生物流體。研究人員表示，與目前由聚合物材料制成的芯片相比，玻璃芯片具有抵抗化學物質或體液腐蝕的優(yōu)勢。

Qi實驗室的博士后研究員、該研究的第一作者李明哲表示，低溫工藝還可以實現(xiàn)玻璃結構微電子器件的制造：“我們可以實現(xiàn)原位打印，直接進入微電子領域。微電子領域使用的半導體材料不能承受非常高的溫度。如果我們想直接在板上打印，我們必須在低溫下進行，200攝氏度絕對可以完成這項工作�！�

△3D 打印的玻璃微流體通道，顯示為中空且充滿液體。資料來源：佐治亞理工學院。

該團隊的打印工藝為石英玻璃制造提供了一種全新的選擇。典型的玻璃增材制造工藝需要聚合物混合物，一旦形成所需的形狀，就必須用極高熱量將聚合物去除掉。佐治亞理工學院團隊的方法使用光樹脂，利用一種稱為深紫外光的紫外線將光樹脂轉化為玻璃，從而實現(xiàn)較低的溫度，從而節(jié)省了大量熱能。

△在左邊，研究人員采用了一種基于廣泛使用的軟聚合物（PDMS）的光敏樹脂。右側的樣品是使用深紫外光將光樹脂轉化為硬化無機玻璃而制成的玻璃。照片：坎德勒霍布斯。資料來源：佐治亞理工學院。

研究人員采用了一種基于廣泛使用的軟聚合物（PDMS）的光敏樹脂，并且他們不需要像其他 3D 打印方法那樣在混合物中添加二氧化硅納米顆粒。其結果是高度透明的玻璃，不存在添加納米顆�？赡艹霈F(xiàn)的潛在光學問題。據(jù)報道，他們的玻璃鏡片與商業(yè)制造的熔融石英玻璃一樣光滑。

除了Woodruff學院的Qi團隊之外，該研究團隊還包括材料科學與工程學院的Rampi Ramprasad實驗室。目前，該工藝可創(chuàng)建尺寸為 200 至 300 微米的結構，相當于一張紙的厚度或人類頭發(fā)的直徑。他們已經(jīng)開始致力于將 3D 打印的玻璃結構擴大到毫米級。

Qi 教授表示，3D 打印技術的進步以及對陶瓷（可成型、燒制、硬化并耐熱、耐腐蝕的無機非金屬材料）的興趣促使該團隊思考新的制造方法。

海軍研究辦公室資助了這項工作。Qi教授說：“我們很期待能夠在增材制造中將聚合物低溫轉化陶瓷領域中開發(fā)新的尖端技術，這是以前沒有人做過的事情。我們受到海軍研究辦公室的資助。盡管他們知道風險很高，但他們給了我們很大的自由來嘗試新事物。”