Nature:石英玻璃微加工3D打印工藝
責任編輯:傳說的落葉 時間:2019-08-02 10:54
[導讀]實現(xiàn)復雜三維中空微結構,發(fā)表于Nature子刊的石英玻璃微加工3D打印工藝
石英玻璃是一種應用于要求長期化學和機械穩(wěn)定性以及優(yōu)異光學性能環(huán)境的優(yōu)選材料,微流控芯片就是這種材料的應用方向之一。但也正是由于石英玻璃材料的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性以及機械硬度高,一直以來在石英玻璃種制造出微型復雜三維結構是充滿挑戰(zhàn)的。
發(fā)表于Nature Communications期刊的研究論文“Fabrication of arbitrary three-dimensional suspended hollow microstructures in transparent fused silica glass”表明,借助微加工3D打印技術能夠克服這一難點,生成高精度的石英玻璃中空微結構。
石英玻璃中的三維微流體混合器結構
來源:Nature
熔融石英玻璃中的微結構通常通過濕法化學或干法蝕刻工藝制造。更復雜的結構可以用精密玻璃成形法,溶膠-凝膠或復制粉末爆破來制造。然而,所有這些技術僅能夠制造開放的二維通道結構,需要與平面基板結合才能夠制造簡單的懸浮中空微結構(例如,微流體通道)。
根據(jù)研究論文,通過常用工藝難以在熔融石英玻璃內(nèi)部形成自由形狀的中空結構。使用飛秒激光寫入以及用諸如氫氟酸(HF)之類的侵蝕性化學物質(zhì)連續(xù)蝕刻照射區(qū)域是其中一種方法,但該方法在制造具有很少入口的長通道結構時,容易產(chǎn)生出現(xiàn)不均勻的情況,在制造錐形通道結構時,易導致朝向通道入口處的尺寸更寬。另外,溝道長度也會受到蝕刻工藝的限制,因為HF蝕刻顯示蝕刻速度隨溝道長度而減小,并且碎屑可快速阻擋溝道。
為了克服這些問題,科研領域探索了不同的技術,但這些技術只適合制造簡單的通道幾何形狀。如為了克服對侵蝕性蝕刻解決方案的需求,有的科研人員開發(fā)了液體輔助消融的飛秒激光寫入,這種技術產(chǎn)生具有顯著表面粗糙度成分,因此需要通過后處理才能夠得到滿足光學質(zhì)量的表面。
研究論文描述了一種能夠生成石英玻璃復雜3D微結構的工藝,具體來說,科研人員使用Nanoscribe雙光子3D打印技術制造了生成石英玻璃微流體通道的犧牲模板,微型的3D打印犧牲模板采用聚合物材料制造。
科研人員將該3D打印微結構澆鑄在液體納米復合玻璃材料中,隨后用UV光在聚合物模板的頂部進行照光固化。然后對該結構進行熱處理,將納米復合材料轉(zhuǎn)變成熔融石英玻璃,并從內(nèi)部熔化3D打印模板,在此過程中,溫度高達1300攝氏度,制造出帶有中空復雜微通道的石英玻璃結構。
在對這一工藝進行研究的過程中,研究團隊成功的制造出直徑小至7微米的通道。通過石英玻璃混合器等精密測試部件,研究團隊展示了通過這種結合微型3D打印技術的工藝在制造復雜玻璃產(chǎn)品領域的可行性,也為玻璃材料的微細加工提供了可行性。
根據(jù)3D科學谷的市場觀察,科研團隊所使用的Nanoscribe雙光子光刻3D打印技術已從科學研究應用走向工業(yè)市場,近期他們推出了面向工業(yè)微加工的自動化設備Quantum X,該設備小XY特征尺寸為160納米,用于生產(chǎn)折射和衍射微光學原型、圓晶規(guī)模制造以及聚合物母??焖僦圃臁?/p>
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