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用價值。其性能使得它在日常生活、科學和工業(yè)領域均發(fā)揮著重要作用。盡管熔融石英玻璃具備優(yōu)異的光學性能、熱穩(wěn)定性和化學耐久性等優(yōu)異特點，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雜、成本高昂以及材料易碎等諸多挑戰(zhàn)，并且在實現(xiàn)復雜三維（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)、高效制造和在先進功能領域的應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)字設計和逐層累積為手段，成為賦予玻璃構(gòu)件設計自由度高和精確成型能力的強大工具，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理工學院科學家利用立體光刻（SLA）技術(shù)制備玻璃已取得重要突破（Nature, 2017, 544），成功實現(xiàn)了玻璃制品在質(zhì)量、復雜度和精確度諸多方面的顯著提升。這一里程碑式的進展也預示著通過3D打印技術(shù)制造具有出色光學性能的玻璃結(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展了玻璃三維構(gòu)件的應用領域，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雜玻璃三維結(jié)構(gòu)。這一限制嚴重影響了該技術(shù)在微光學、微流控、微機械及微表面等先進領域上的應用。

有鑒于此，香港理工大學3D打印中心溫燮文教授聯(lián)合香港大學機械工程系陸洋教授，在此前工作（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基礎上更進一步，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和電子顯微鏡圖像。（b）復合納米前驅(qū)體的各化學組分。（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)的光學和電子顯微鏡圖像，其中央的細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陣。（a）多層級點陣結(jié)構(gòu)；（b）多層級點陣網(wǎng)絡；（c & d）單個多層級點陣胞元；（e）多層級架構(gòu)；（f）基礎點陣；（g & h）基礎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)尺寸及復雜三維設計自由度，進一步展現(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"），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，兩種流體呈現(xiàn)了不互溶的“層流"現(xiàn)象。

該工作進行于香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室，相關成果以“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。

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