来自佐治亚理工学院的研究人员开发了一种新方法，使用紫外线而非极高的温度来 3D 打印小型玻璃镜片和其他结构，这将在医疗设备和研究应用领域大有作用。
新工艺将聚合物树脂转化为石英玻璃所需的热量从 1,100 摄氏度降低到约 220 摄氏度，并将固化时间从半天或更长缩短到仅五个小时。研究人员使用这种新工艺来生产多种玻璃微结构，包括大约人类头发宽度的微型透镜，可用于体内医学成像。
△博士生李明哲（左）和博士后学者梁悦（右）。照片：坎德勒霍布斯。资料来源：佐治亚理工学院。
由乔治·W·伍德拉夫机械工程学院 H.Jerry Qi 教授领导的团队在《科学进展》杂志上描述了他们的方法。相关研究论文题目为“Low-temperature3D printing of transparent silica glass microstructures”。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958
Qi教授说：“这是一次探索性的尝试，实验表明可以在较低的温度条件下制造陶瓷，二氧化硅也是一种可使用的陶瓷材料。这是一个非常具有挑战性的问题。我们有一个由化学和材料科学领域的人员组成的团队，致力于采用数据驱动的方法来突破界限，看看我们是否可以用这种方法生产更多的陶瓷。”
随着医用内窥镜镜头的小型化，这些 3D 打印玻璃结构可以创建微流体设备——通常是具有纳米或微米级通道的小型计算机芯片类设备，用于研究运动中的细胞或生物流体。研究人员表示，与目前由聚合物材料制成的芯片相比，玻璃芯片具有抵抗化学物质或体液腐蚀的优势。
Qi实验室的博士后研究员、该研究的第一作者李明哲表示，低温工艺还可以实现玻璃结构微电子器件的制造：“我们可以实现原位打印，直接进入微电子领域。微电子领域使用的半导体材料不能承受非常高的温度。如果我们想直接在板上打印，我们必须在低温下进行，200摄氏度绝对可以完成这项工作。”
△3D 打印的玻璃微流体通道，显示为中空且充满液体。资料来源：佐治亚理工学院。
该团队的打印工艺为石英玻璃制造提供了一种全新的选择。典型的玻璃增材制造工艺需要聚合物混合物，一旦形成所需的形状，就必须用极高热量将聚合物去除掉。佐治亚理工学院团队的方法使用光树脂，利用一种称为深紫外光的紫外线将光树脂转化为玻璃，从而实现较低的温度，从而节省了大量热能。
△在左边，研究人员采用了一种基于广泛使用的软聚合物（PDMS）的光敏树脂。右侧的样品是使用深紫外光将光树脂转化为硬化无机玻璃而制成的玻璃。照片：坎德勒霍布斯。资料来源：佐治亚理工学院。
研究人员采用了一种基于广泛使用的软聚合物（PDMS）的光敏树脂，并且他们不需要像其他 3D 打印方法那样在混合物中添加二氧化硅纳米颗粒。其结果是高度透明的玻璃，不存在添加纳米颗粒可能出现的潜在光学问题。据报道，他们的玻璃镜片与商业制造的熔融石英玻璃一样光滑。
除了Woodruff学院的Qi团队之外，该研究团队还包括材料科学与工程学院的Rampi Ramprasad实验室。目前，该工艺可创建尺寸为 200 至 300 微米的结构，相当于一张纸的厚度或人类头发的直径。他们已经开始致力于将 3D 打印的玻璃结构扩大到毫米级。
Qi 教授表示，3D 打印技术的进步以及对陶瓷（可成型、烧制、硬化并耐热、耐腐蚀的无机非金属材料）的兴趣促使该团队思考新的制造方法。
海军研究办公室资助了这项工作。Qi教授说：“我们很期待能够在增材制造中将聚合物低温转化陶瓷领域中开发新的尖端技术，这是以前没有人做过的事情。我们受到海军研究办公室的资助。尽管他们知道风险很高，但他们给了我们很大的自由来尝试新事物。”
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