Science一作兼通訊：低溫3D打印玻璃！

一、【導讀】

二氧化硅玻璃因其優異的光學透明度以及熱、化學和機械彈性而成為現代工程應用中最重要的材料之一。增材制造技術打印玻璃可以為許多應用提供新材料。二氧化硅玻璃的3D打印主要依靠傳統的顆粒燒結技術，因此固化玻璃通常需要高溫。這些限制了它們在微系統技術中的應用，從而阻礙了重大技術突破。雙光子聚合（TPP）3D打印因其不受約束的3D設計自由度而具有從根本上改變微系統技術的潛力，如今微系統技術在很大程度上局限于平面結構。近期已實現二氧化硅玻璃的TPP 3D打印，然而這些方法仍然基于顆粒負載的犧牲聚合物粘合劑，適用性有限。

?二、【成果掠影】

有機和有機-無機雜化聚合物的熱分解是制造無機材料的一種極具前途的無顆粒替代品。基于此，德國卡爾斯魯厄理工學院J. Bauer教授團隊報道了由籠型聚倍半硅氧烷（POSS）樹脂制備的自由形式熔融二氧化硅納米結構的無燒結、TPP 3D打印。與顆粒負載的犧牲粘合劑相反，POSS樹脂本身構成了一個連續的硅氧分子網絡，僅在650 ℃下就形成了透明的熔融二氧化硅。該溫度比將離散二氧化硅顆粒融合成連續體的燒結溫度低500 ℃，這使二氧化硅3D打印低于基本微系統材料的熔點。同時，本研究實現了四倍的分辨率增強，這使得可見光納米光子學成為可能。通過展示卓越的光學質量、機械彈性、易于加工和可覆蓋的尺寸尺度，本研究為無機固體的微米和納米3D打印樹立了標桿。相關研究成果以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”為題發表在國際知名期刊Science上，J. Bauer教授為本文的一作兼通訊作者。

三、【數據概覽】

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圖1? 由丙烯酸酯官能化POSS樹脂制備高質量的熔融二氧化硅納米結構 ? 2023 AAAS

圖2 ?在650 ℃下處理產生原始的熔融二氧化硅玻璃 ? 2023 AAAS

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圖3 ?TPP打印POSS玻璃制造高質量的自由形狀微光學元件 ? 2023 AAAS

四、【成果啟示】

POSS玻璃TPP 3D打印路線可能有助于重新定義硅玻璃自由形式制造的范式，并克服主導該領域的傳統制造方法的局限性。本研究的關鍵創新在于開發的POSS樹脂，與負載顆粒的粘合劑相反，它本身可以聚合成連續的硅氧分子網絡。因此，該材料規避了將離散二氧化硅顆粒燒結成連續體所需的極端溫度，這使得僅在650 ℃下即可轉化為熔融二氧化硅。與報道的最佳TPP方法相比，通過將溫度降低約500 ℃，使硅玻璃的自由形式合成低于微系統技術的基本材料（包括銀、銅、金和鋁）的熔點。這代表了一項突破，使透明物質的片上3D打印從最先進的有機聚合物發展到彈性光學級熔融二氧化硅。同樣，報道的POSS玻璃工藝突破了臨界分辨率限制，在可見光譜中實現了自由形式的二氧化硅納米光子器件，同時能夠制造數百微米的高縱橫比結構。總的來說，本研究實現了光學質量、機械彈性、加工簡易性和可覆蓋尺寸尺度的完美結合，并為無機固體的微米級和納米級3D打印樹立了標桿。

原文詳情：A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass (Science 2023, 380, 960-966)

本文由大兵哥供稿。