港理工/港大/港城大《Nat. Commun.》：亞微米精度單光子3D打印熔融石英玻璃

更新時間：2024-04-10

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透明熔融石英玻璃作為一種重要材料，在現(xiàn)代社會中具備廣泛應(yīng)用價值。其性能使得它在日常生活、科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用。盡管熔融石英玻璃具備優(yōu)異的光學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)耐久性等優(yōu)異特點(diǎn)，但其高硬度和高脆性使得其可加工能性備受詬病。目前，傳統(tǒng)熔融石英玻璃微結(jié)構(gòu)制備工藝面臨著流程復(fù)雜、成本高昂以及材料易碎等諸多挑戰(zhàn)，并且在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維（3D）結(jié)構(gòu)方面仍然存在巨大困難。這給新型玻璃微納米器件的開發(fā)、高效制造和在先進(jìn)功能領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

近年來，以3D打印/增材制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)為玻璃加工行業(yè)帶來了全新變革和重大突破。相較于傳統(tǒng)的減材及等材成型工藝，這些新興技術(shù)以數(shù)字設(shè)計(jì)和逐層累積為手段，成為賦予玻璃構(gòu)件設(shè)計(jì)自由度高和精確成型能力的強(qiáng)大工具，使得制造任意熔融石英玻璃三維結(jié)構(gòu)成為可能。德國Karlsruhe理工學(xué)院科學(xué)家利用立體光刻（SLA）技術(shù)制備玻璃已取得重要突破（Nature, 2017, 544），成功實(shí)現(xiàn)了玻璃制品在質(zhì)量、復(fù)雜度和精確度諸多方面的顯著提升。這一里程碑式的進(jìn)展也預(yù)示著通過3D打印技術(shù)制造具有出色光學(xué)性能的玻璃結(jié)構(gòu)離普及更近了一步。隨著時間的推移，全球范圍內(nèi)的研究者一直在不斷努力提升玻璃打印技術(shù)的精確性。通過采用雙光子飛秒激光直寫（TPP-DIW）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微納米尺寸3D分辨率的玻璃結(jié)構(gòu)的有效成形（Adv. Mater., 2021, 33）。

然而，盡管立體光刻和雙光子飛秒激光直寫已分別實(shí)現(xiàn)了約50 μm和約100 nm的成型分辨率，并在宏觀及納觀尺度上顯著擴(kuò)展了玻璃三維構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于3D打印技術(shù)在精度和效率方面存在固有矛盾，迄今為止，已有文獻(xiàn)中報道的方法無法有效地制造出既具有毫米/厘米級尺寸又帶有亞微米級特征的復(fù)雜玻璃三維結(jié)構(gòu)。這一限制嚴(yán)重影響了該技術(shù)在微光學(xué)、微流控、微機(jī)械及微表面等先進(jìn)領(lǐng)域上的應(yīng)用。

有鑒于此，香港理工大學(xué)3D打印中心溫燮文教授聯(lián)合香港大學(xué)機(jī)械工程系陸洋教授，在此前工作（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，提出了一種通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制備同時具有亞微米特征及毫米/厘米級尺寸的熔融石英玻璃三維構(gòu)件的方法。研究者選擇了聚乙二醇功能化的二氧化硅納米顆粒（平均直徑~11.5 nm）膠體和兩種丙烯酸酯作為聚合物前驅(qū)體，保證二氧化硅納米顆粒良好的相容性和分散性。結(jié)合面投影微立體光刻3D打印靈活地創(chuàng)建具有復(fù)雜的三維亞微米結(jié)構(gòu)的高性能透明熔融石英玻璃，其分辨率、構(gòu)建速度及成型幅面均超越了目前大多數(shù)其他3D打印玻璃技術(shù)幾個數(shù)量級。

圖1：通過面投影微立體光刻3D打印所得透明熔融石英玻璃。（a）面投影微立體光刻3D打印示意圖，呈現(xiàn)了打印所得熔融石英玻璃制成微縮維多利亞港的光學(xué)和電子顯微鏡圖像。（b）復(fù)合納米前驅(qū)體的各化學(xué)組分。（c）面投影微立體光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透鏡陣列在高溫環(huán)境下展示了出色的穩(wěn)定性。（d）4 × 6陣列的透明熔融石英玻璃蜂窩結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電子顯微鏡圖像，其中央的細(xì)長懸線具有亞微米級別尺寸。（e）該方案所制備的熔融石英玻璃在分辨率及成型速度上的關(guān)系圖，及與已報道的其他同類技術(shù)的比較。

圖2：面投影微立體光刻3D打印所得具有多尺度臨界特征的透明熔融石英玻璃多層級點(diǎn)陣。（a）多層級點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；（b）多層級點(diǎn)陣網(wǎng)絡(luò)；（c & d）單個多層級點(diǎn)陣胞元；（e）多層級架構(gòu)；（f）基礎(chǔ)點(diǎn)陣；（g & h）基礎(chǔ)桿件及其具備的亞微米特征。尺寸跨度由mm逐步減少到nm，接近5個數(shù)量級。

利用面投影微立體光刻3D打印透明熔融石英玻璃微透鏡陣列，其具有亞納米級別的表面粗糙度（Ra≈0.633 nm）。同時，研究者展示了通過3D打印制造的熔融石英玻璃微透鏡陣列在成像方面的出色能力，具備優(yōu)良的均勻性、清晰度、對比度和銳度。

圖3：面投影微立體光刻3D打印的具有亞納米級別表面粗糙度的熔融石英玻璃微透鏡陣列。單個透鏡的高精度光學(xué)顯微鏡圖像，方框區(qū)域顯示了白光干涉共聚焦顯微鏡測試結(jié)果，沿XY方向均能實(shí)現(xiàn)亞納米級別表面粗糙度，以此制備高均勻性、高清晰度、高對比度和高銳度的微透鏡陣列。

面投影微立體光刻3D打印技術(shù)賦予了熔融石英玻璃微流體器件高精度、簡化工藝、高直視性、大結(jié)構(gòu)尺寸及復(fù)雜三維設(shè)計(jì)自由度，進(jìn)一步展現(xiàn)出該器件出色的液滴/流體操控能力。

圖4：面投影微立體光刻3D打印具備超疏水性能的仿生三維熔融石英玻璃微表面結(jié)構(gòu)，以及具有Y型流道的免鍵合三維熔融石英玻璃微流控芯片。超疏水仿生三維熔融石英玻璃微表面展現(xiàn)了優(yōu)異的液滴黏附能力（即“花瓣效應(yīng)"），即使在翻轉(zhuǎn)180°后仍能牢固鎖住液滴；在免鍵合Y型流道三維熔融石英玻璃微流控芯片，由于表面張力占主導(dǎo)，兩種流體呈現(xiàn)了不互溶的“層流"現(xiàn)象。

該工作進(jìn)行于香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實(shí)驗(yàn)室，相關(guān)成果以“One-photon Three-dimensional Printed Fused Silica Glass with Sub-micron Features"為題發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上，課題組2020級博士研究生黎子永為該論文第一作者。

在該研究中，熔融石英玻璃三維微納樣品由摩方精密2 μm精度的nanoArch® P130超高精密3D打印系統(tǒng)制備。