科学家3D打印出比头发还细的酒杯

玻璃是一种难以用3D打印技术制造的材料，尤其是在微米级别。但是，瑞典皇家理工学院的一组科学家解决了这一难题，开发出了一种新的3D打印二氧化硅玻璃（即无定形硅酸盐）的方法，简化了一个复杂而耗能的过程。作为概念验证，他们3D打印出了世界上最小的酒杯（由实际玻璃制成），其杯沿比人类头发还要细，还打印出了一个用于光纤通信系统的光学谐振器——这是3D打印二氧化硅玻璃部件的潜在应用之一。

该研究的合著者、瑞典皇家理工学院的KristinnGylfason说：“互联网的骨干是基于玻璃制成的光纤。在这些系统中，需要各种过滤器和耦合器，现在可以用我们的技术3D打印出来，这开辟了许多新的可能性。”

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二氧化硅玻璃（即非晶二氧化硅）具有优良的热稳定性、化学稳定性、硬度和光透明性等特性，但目前的3D打印方法都无法很好地复制这些特性，尤其是在微观尺度上。这些方法都需要使用不同的有机混合物，并在高温下进行长时间的烧结步骤，才能去除有机残留物并获得所需的特性。这个额外的步骤极大地限制了潜在的应用，因为只有能够承受高温的基底材料才能使用。有些方法还需要将3D打印的结构组装成最终形式，这在微米尺度上也很困难。

Gylfason等人在开发的替代方法时，选择了氢化硅氧烷（HSQ）作为原料，这是一种与二氧化硅类似的无机材料，可以被电子束、离子束和某些波长的紫外光进行图案化。该方法的一个主要优势是不依赖于有机化合物来作为光引发剂或粘合剂，而是依赖于直接交联无机HSQ。

据了解，该过程有三个主要步骤。首先，他们将HSQ溶解在有机溶剂中，并滴注在基底上。HSQ干燥后，他们用一个聚焦的亚皮秒激光束追踪所需的3D形状。最后，用氢氧化钾溶液溶解掉未暴露于光线下的HSQ。对3D打印的微结构进行拉曼光谱分析，显示出了二氧化硅玻璃的所有预期特征。然而，也有一些残留的氢和碳的痕迹。对于需要更纯净的二氧化硅玻璃的应用，可以通过在900摄氏度下退火结构来去除残留的有机物。经过这样处理后，结构的光谱与商业熔融二氧化硅玻璃基底的光谱相匹配。

虽然退火3D打印的微结构可能会导致它们收缩或变形，但作者发现，他们的二氧化硅玻璃结构的最大收缩率约为6%，而使用立体光刻和直接墨水写入方法制造的玻璃物体的收缩率则在16%到56%之间。除了作为概念验证的微型酒杯和光学谐振器外，作者还打印了一个微型的KTH标志、一个悬臂和一个锥形螺旋，以及一个二氧化硅玻璃光纤尖端。他们认为，他们的方法可以用来制造医疗设备和微型机器人的定制透镜等。通过在3D打印的微结构上涂覆纳米金刚石或铁磁纳米颗粒，还可以进一步调节结构的性能，分别用于混合量子光子学集成或磁性去除运动控制。