近日，加州大学伯克利分校Joseph T. Toombs和Hayden K. Taylor教授等研究者在Science 杂志上揭橥封面论文，设计了一种新的被称为“微尺度打算轴向光刻”（microscale computed axial lithography, micro-CAL）的技能，只需几分钟乃至几秒钟即可打印出毫米级乃至微米级的繁芜石英玻璃微构造，表面粗糙度低至为6 nm。
3D打印4.5毫米的风雅玻璃构造。图片来源：Science 当期封面
研究者采取一种高透明度的光固化纳米复合股料作为先驱体，由液体单体光固化粘合剂基质和非晶球形二氧化硅纳米颗粒组成，颗粒直径为40 nm。粘合剂通过自由基聚合，可以在打印构造中支撑纳米颗粒。先驱体在23 °C下的零剪切粘度为10 Pa•s，加热至60 °C可将粘度降落一个数量级。打印后，被去除的纳米复合股料可重新作为先驱体用于打印。此外，粘合剂的折射率险些与玻璃的折射率相同，因此光通过材料时险些没有散射，这对付micro-CAL技能的成功至关主要。
利用micro-CAL技能打印石英玻璃材料，具有很多上风。比如采取一体成型，可以避免分层沉积引起的构造毛病，进而提高玻璃的光学和机器性能；印刷过程中，先驱体和打印物体之间无相对运动，因此可以选择高粘度和触变性的纳米复合先驱体；成型过程中，打印物体被前体材料包围，不须要引入捐躯性的固体支撑构造；可以打印几何形状更加繁芜的物体，且表面光滑平整。
Micro-CAL技能打印石英玻璃物体过程。图片来源：Science
打印后的物体须要经由两步热处理：去粘合剂（~600 °C）和烧结（~1300 °C），使得二氧化硅纳米颗粒熔融在一起，形成致密透明的玻璃。不过，与其他技能相似，烧结过程中涌现26%的各向同性的线性紧缩，因此有必要在打印前考虑尺寸变革，以做好缩放设计。
加入TEMPO及烧布局造表征。图片来源：Science
此外，向纳米复合股猜中加入2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）可有效抑制自由基，更易去除未固化的基质，大大增加了树脂材料的光刻精度，从而改进了micro-CAL工艺。研究者利用调制通报函数（MTF）来丈量光学分辨率，在大于 66.7 cycles mm–1范围内，MTF值大于0.4。结合梯度低落数字掩模优化，Micro-CAL系统能够在约30到90秒内实现石英玻璃的快速打印，最小特色尺寸分别为20 μm和50 μm。
论文作者Joseph T. Toombs和Hayden K. Taylor教授。图片来源：UC Berkeley [1]
微蜂窝状构造已被广泛运用于各个领域，如光子学、能源、生物工程等，如果利用玻璃为材料，繁芜的多孔性使其难以通过传统制造工艺进行加工。研究者利用Micro-CAL技能能够直接且迅速地打印出直径为~100 μm的石英玻璃多面体，以及更多的繁芜球形笼状构造。
基于CAL技能打印玻璃微构造。图片来源：Science
为了证明打印的玻璃制品具有良好的机器性能，研究者制备了豪氏桁架，并对其进行三点波折，断裂应力可达187.7 MPa，优于其他打印办法。Micro-CAL技能还可用于微流道的设计和打印，通道内径和壁厚分别低至150 μm和85 μm。此外，利用该方法制备的透镜，表面均匀粗糙度（Ra）仅为~6 nm，球面图形偏差在1~10 μm之间。
微构造玻璃的打印及运用。图片来源：Science
“当玻璃零件包含很多毛病或裂纹时，每每更随意马虎断裂”，Taylor教授说，“与其他 3D 打印工艺比较，Micro-CAL技能能够制造表面更光滑的玻璃微构造，潜在上风巨大”。他还补充道，“能够更快地制造这些玻璃零件并具有更大的构造自由度，有望带来新的设备功能或本钱更低的产品。”[1]
Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography
Joseph T. Toombs, Manuel Luitz, Caitlyn C. Cook, Sophie Jenne, Chi Chung Li, Bastian E. Rapp, Frederik Kotz-Helmer, Hayden K. Taylor
Science, 2022, 376, 308-312. DOI: 10.1126/science.abm6459
参考文献：
[1] Researchers develop innovative 3D-printing technology for glass microstructures
https://engineering.berkeley.edu/news/2022/04/researchers-develop-innovative-3d-printing-technology-for-glass-microstructures/
（本文由小希供稿）
