المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH
طور فريق من العلماء السويديين تقنية جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد لـ زجاج السيليكا يبسط عملية معقدة كثيفة الاستهلاك للطاقة. كدليل على المفهوم ، قاموا بطباعة أصغر كأس نبيذ في العالم (مصنوع من الزجاج الحقيقي) بحافة أصغر من عرض شعرة الإنسان ، بالإضافة إلى مرنان بصري لأنظمة الاتصالات اللاسلكية. الألياف البصرية – واحدة من العديد من الإمكانات تطبيقات لمكونات زجاج السيليكا المطبوعة ثلاثية الأبعاد. وصفوا طريقتهم الجديدة في المنشور الاخير في مجلة Nature Communication.
“العمود الفقري للإنترنت يعتمد على الألياف الزجاجية” ، قال المؤلف المشارك كريستين جيلفاسون من المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH في ستوكهولم. “في هذه الأنظمة ، هناك حاجة إلى جميع أنواع الفلاتر والمقارنات ويمكن الآن طباعتها ثلاثية الأبعاد من خلال تقنيتنا. وهذا يفتح العديد من الاحتمالات الجديدة.”
يعتبر زجاج السيليكا (أي ثاني أكسيد السيليكون غير المتبلور) مادة لا تزال تمثل تحديًا للطباعة ثلاثية الأبعاد ، خاصة على المستوى المجهري ، وفقًا للمؤلفين ، على الرغم من أن العديد من الطرق تسعى لمواجهة هذا التحدي ، بما في ذلك الطباعة الحجرية الحجرية والكتابة بالحبر المباشر والمعالجة الرقمية للضوء. حتى هذه كانت قادرة فقط على تحقيق أحجام الميزات بترتيب عدة عشرات من الميكرومترات ، باستثناء واحد دراسة 2021 الذين أبلغوا عن دقة المقياس النانوي.
لكن كل من يستخدم سول جل العمليات التي تنطوي على مخاليط عضوية مختلفة محملة بجزيئات السيليكا النانوية. وبالتالي ، فإن الهياكل المطبوعة النهائية عبارة عن مواد مركبة تحتوي على العديد من المواد العضوية ، وتفتقر إلى أكثر الخصائص المرغوبة لزجاج السيليكا (أي الاستقرار الحراري والكيميائي ، والصلابة ، والشفافية الضوئية على نطاق واسع من الأطوال الموجية). يتطلب خطوة تلبيد إضافية عند درجات حرارة عالية تبلغ حوالي 1200 درجة مئوية (2192 درجة فهرنهايت) لعدة ساعات لإزالة المخلفات العضوية وتحقيق هذه الخصائص. هذه الخطوة المستهلكة للطاقة الإضافية تحد بشدة من التطبيقات المحتملة حيث يمكن استخدام مواد الركيزة القادرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة فقط. تتطلب بعض الأساليب أيضًا تجميع الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد في شكل نهائي ، وهو أمر صعب على مقياس الميكرومتر.
أثناء تطوير تقنيتهم البديلة للطباعة ثلاثية الأبعاد لزجاج السيليكا ، Gylfason وآخرون. التفت نحو silsesquioxane الهيدروجين (HSQ) ، وهي مادة غير عضوية تشبه السيليكا ويمكن تشكيلها بواسطة أشعة الإلكترون وأشعة الأيونات وأطوال موجية معينة من الأشعة فوق البنفسجية. الميزة الرئيسية هي أن طريقتهم لا تعتمد على المركبات العضوية لتكون بمثابة عوامل ضوئية أو مواد رابطة تبقى على الركيزة ، كما هو الحال مع الطباعة الحجرية الحجرية أو الكتابة بالحبر المباشر. بدلاً من ذلك ، تعتمد طريقتهم على الربط المتبادل المباشر لـ HSQ غير العضوي.
العملية لها ثلاث خطوات رئيسية. أولاً ، قاموا بصب HSQ المذاب في المذيبات العضوية على الركيزة. بمجرد أن يجف HSQ ، يتتبعون الشكل ثلاثي الأبعاد المطلوب باستخدام شعاع ليزر مركّز دون بيكو ثانية. أخيرًا ، يتم إذابة أي HSQ غير مكشوف باستخدام سهل لمحلول هيدروكسيد البوتاسيوم. أظهر التحليل الطيفي لرامان للبنى المجهرية المطبوعة جميع الخصائص المتوقعة لزجاج السيليكا.
ومع ذلك ، كانت هناك أيضًا آثار متبقية للهيدروجين والكربون. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب زجاج سيليكا أنقى ، يمكن إزالة المواد العضوية المتبقية عن طريق تلدين الهياكل عند 900 درجة مئوية (1،652 درجة فهرنهايت) – خطوة إضافية ، نعم ، ولكن عند درجة حرارة أقل بكثير من خطوة التلبيد الإضافي المعتاد. بعد ذلك ، تطابق طيف الهياكل مع ركيزة زجاجية السيليكا المنصهرة التجارية. على الرغم من أن تلدين الهياكل المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يتسبب في تقلصها أو تشوهها ، وجد المؤلفون أن الحد الأقصى لانكماش هياكل زجاج السيليكا كان حوالي 6٪ ، مقارنة بـ 16٪ إلى 56٪ للأجسام الزجاجية. طرق التفكير. .
بالإضافة إلى زجاج النبيذ الصغير والرنان البصري لإثبات صحة المفهوم ، طبع المؤلفون نسخة صغيرة من شعار KTH ، ودوامة ناتئة ومدببة ، وطرف من الألياف الزجاجية من السيليكا. ويعتقدون أنه يمكن استخدام طريقتهم أيضًا في صنع عدسات مخصصة للأجهزة الطبية والروبوتات الدقيقة. يمكن أن يسمح طلاء الهياكل المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالماس النانوي أو الجسيمات النانوية الحديدية بمزيد من التخصيص للخصائص لدمج الضوئيات الكمومية الهجينة أو إزالة التحكم في حركة الهياكل مغناطيسيًا ، على التوالي.
“عادة ما تكون المخاوف عند دمج أساليب الطباعة ثلاثية الأبعاد مختلفة لتطبيقات مختلفة ،” قال المؤلف المشارك بو هان هوانغ، طالب دراسات عليا في KTH. “على الرغم من أن تحسين أسلوبنا لا يزال مطلوبًا لتطبيقات مختلفة ، فإننا نعتقد أن طريقتنا تقدم اختراقًا مهمًا وضرورًا للطباعة ثلاثية الأبعاد على الزجاج لاستخدامها في سيناريوهات عملية.”
DOI: Nature Communications، 2023. 10.1038 / s41467-023-38996-3 (حول DOIs).
