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喬治亞理工學院開創光化學策略，溫和條件下3D打印微米級玻璃結構

2024-09-30

玻璃，以其優異的光學透明度、熱穩定性、化學穩定性以及可調性，在眾多高科技領域中發揮著不可替代的作用。然而，將玻璃加工成復雜且微型化的三維結構，尤其是與聚合物和金屬相比，一直是一項技術難題。傳統的玻璃制造方法，如注塑成型、軟復制、激光輔助蝕刻和化學氣相沉積等，都存在明顯的局限性，如無法生產任意形狀的三維結構、涉及危險化學品的使用、復雜的后處理工藝以及高溫高能耗等。

近年來，增材制造（3D打印）技術的興起為玻璃制造帶來了新的希望。然而，現有的3D打印玻璃方法通常耗時較長，且需要在高溫條件下進行，這不僅增加了能源消耗和制造成本，還限制了其廣泛應用。針對這些挑戰，Qi教授團隊利用光化學手段，實現了在溫和條件下3D打印石英玻璃微結構的突破。

研究團隊采用了一種光敏聚二甲基硅氧烷（PDMS）樹脂作為打印材料，而非傳統的含有二氧化硅納米顆粒的光敏樹脂。他們首先利用Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D打印機，通過雙光子聚合（2PP）技術將PDMS樹脂打印成所需的微結構。隨后，在氧氣環境中，利用深紫外（DUV）光照射，將打印出的PDMS微結構轉化為透明的石英玻璃。

這項技術的核心在于DUV-臭氧轉化過程。在DUV光的照射下，氧分子分解產生臭氧，臭氧進一步光解產生高活性的單線態原子氧。這種原子氧攻擊PDMS分子中的Si-C鍵，取代甲基生成羥基，并在DUV光產生的中度溫升（約220°C）下，促進鄰近硅醇基團的脫羥基并形成Si-O-Si鍵。通過這一系列化學反應，PDMS微結構成功轉化為石英玻璃。

與傳統增材制造方法相比，這項技術具有多重優勢。首先，轉化過程在溫和的溫度下進行，大大降低了能源消耗。其次，轉化過程非常快速，對于微米級結構，僅需不到5小時即可完成。此外，該技術所采用的光敏樹脂基于廣泛使用的聚合物PDMS，具有廣泛的拓展性，可以制造出除SiO2之外的其他玻璃材料，如硼硅酸鹽玻璃。

然而，這項技術也面臨一些挑戰。例如，打印出的石英玻璃目前僅限于特征尺寸在幾十微米以下的微結構，對于更大尺寸的結構，轉化時間可能會大大延長。同時，打印出的石英玻璃的機械和物理性能仍有待提升，以滿足承載應用的需求。此外，雖然本研究主要關注3D打印過程的實驗研究，但計算和信息學方法對于進一步闡明潛在的光化學機制并拓寬材料和工藝選擇也至關重要。

盡管如此，這項研究仍然是一項具有里程碑意義的成果。通過整合2PP打印技術和DUV-臭氧處理工藝，研究團隊開發了一種在溫和條件下制造透明石英玻璃微結構的3D打印方法。這一突破性的成果不僅有望激發對新的陶瓷前驅體化學的研究，還為增材制造技術在聚合物衍生陶瓷領域的未來發展開辟了廣闊的前景。隨著技術的不斷發展和完善，相信這一技術將在更多領域展現出其巨大的應用潛力。

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