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  二氧化硅玻璃因其卓越的光學(xué)透明度及熱、化學(xué)穩(wěn)定性，成為現(xiàn)代工程應(yīng)用中的關(guān)鍵材料之一，在電子、通信、化學(xué)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，二氧化硅玻璃的高軟化點(diǎn)（1100°C）使得其加工制造過程極具挑戰(zhàn)性，尤其是透明玻璃復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)發(fā)展不足，嚴(yán)重阻礙了其在微光學(xué)、微流體及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來3D打印技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了新思路，研究者們開發(fā)了多種基于3D打印技術(shù)的玻璃微結(jié)構(gòu)制造方法，其中包括數(shù)字光處理（DLP）、墨水直寫（DIW）、立體光刻（CAL）和雙光子聚合（2PP）。這些方法先將負(fù)載顆粒（高達(dá)60 wt%）的犧牲性粘結(jié)劑前驅(qū)體材料聚合成型，然后通過高溫?zé)Y(jié)將粘結(jié)劑去除，剩余二氧化硅顆粒最終熔融成致密的玻璃結(jié)構(gòu)。盡管可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微納器件的高精度打印，這些方法在應(yīng)用中仍面臨諸多問題：其燒結(jié)溫度通常在1100°C甚至1300°C，過程長達(dá)數(shù)天，能量消耗較大；燒結(jié)溫度高于常用工程半導(dǎo)體材料如鍺、磷化銦等，限制了這些工藝在微納系統(tǒng)集成中的應(yīng)用；高顆粒負(fù)載使得前驅(qū)體材料的調(diào)配較為復(fù)雜，存在顆粒分散、光散射、高粘度等難題。

圖一：透明玻璃微結(jié)構(gòu)的3D打印過程及機(jī)理。

圖二：3D打印玻璃的材料表征。

圖三：3D打印的各種玻璃微結(jié)構(gòu)。

圖四：3D打印玻璃的微光學(xué)及微流體應(yīng)用。

  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了這種新型3D打印玻璃技術(shù)在微光學(xué)和微流體等領(lǐng)域的應(yīng)用。如圖四所示，利用該技術(shù)可以制造出具有優(yōu)異光學(xué)性能的玻璃微透鏡元件，所制透鏡表面光滑，測量的表面粗糙度僅為1.5納米，透光率接近于商用熔融石英玻璃透鏡，在醫(yī)學(xué)、電子等領(lǐng)域亟需的微成像系統(tǒng)中有較大應(yīng)用前景。由于二氧化硅玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，不易受到酸、堿和其他腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，采用此技術(shù)所打印的玻璃微流體器件也可用于化學(xué)流反應(yīng)器等系統(tǒng)中。

  原文鏈接： http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958