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石英玻璃微加工3D打印技术,实现复杂三维中空微结构

石英玻璃是一种应用于要求长期化学和机械稳定性以及优异光学性能环境的优选材料,微流控芯片就是这种材料的应用方向之一。但也正是由于石英玻璃材料的热稳定性、化学稳定性以及机械硬度高,一直以来在石英玻璃种制造出微型复杂三维结构是充满挑战的。

发表于Nature Communications 期刊的研究论文“Fabrication of arbitrary three-dimensional suspended hollow microstructures in transparent fused silica glass”表明,借助微加工3D打印技术能够克服这一难点,生成高精度的石英玻璃中空微结构。

石英玻璃微加工3D打印技术,实现复杂三维中空微结构

石英玻璃中的三维微流体混合器结构,来源:Nature

3D打印消失模板

熔融石英玻璃中的微结构通常通过湿法化学或干法蚀刻工艺制造。更复杂的结构可以用精密玻璃成形法,溶胶-凝胶或复制粉末爆破来制造。然而,所有这些技术仅能够制造开放的二维通道结构,需要与平面基板结合才能够制造简单的悬浮中空微结构(例如,微流体通道)。

根据研究论文,通过常用工艺难以在熔融石英玻璃内部形成自由形状的中空结构。使用飞秒激光写入以及用诸如氢氟酸(HF)之类的侵蚀性化学物质连续蚀刻照射区域是其中一种方法,但该方法在制造具有很少入口的长通道结构时,容易产生出现不均匀的情况,在制造锥形通道结构时,易导致朝向通道入口处的尺寸更宽。另外,沟道长度也会受到蚀刻工艺的限制,因为HF蚀刻显示蚀刻速度随沟道长度而减小,并且碎屑可快速阻挡沟道 。

为了克服这些问题,科研领域探索了不同的技术,但这些技术只适合制造简单的通道几何形状。如为了克服对侵蚀性蚀刻解决方案的需求,有的科研人员开发了液体辅助消融的飞秒激光写入 ,这种技术产生具有显著表面粗糙度成分,因此需要通过后处理才能够得到满足光学质量的表面。

研究论文描述了一种能够生成石英玻璃复杂3D微结构的工艺,具体来说,科研人员使用Nanoscribe 双光子3D打印技术制造了生成石英玻璃微流体通道的牺牲模板,微型的3D打印牺牲模板采用聚合物材料制造。

石英玻璃微加工3D打印技术,实现复杂三维中空微结构

科研人员将该3D打印微结构浇铸在液体纳米复合玻璃材料中,随后用UV光在聚合物模板的顶部进行照光固化。然后对该结构进行热处理,将纳米复合材料转变成熔融石英玻璃,并从内部熔化3D打印模板,在此过程中,温度高达1300摄氏度,最终制造出带有中空复杂微通道的石英玻璃结构。

在对这一工艺进行研究的过程中,研究团队成功的制造出直径小至7微米的通道。通过石英玻璃混合器等精密测试部件,研究团队展示了通过这种结合微型3D打印技术的工艺在制造复杂玻璃产品领域的可行性,也为玻璃材料的微细加工提供了可行性。

石英玻璃微加工3D打印技术,实现复杂三维中空微结构

△熔融石英玻璃中悬浮中空微结构的制备。 a聚合物纤维嵌入无定形二氧化硅纳米复合材料中。聚合的纳米复合材料通过热脱脂和烧结转变为熔融石英玻璃。 在热脱脂过程中除去聚合物模板并离开相应的空腔。 b Micro流体熔融石英芯片,通过嵌入尼龙线(比例尺:9 mm)制成。通过嵌入由微光刻法构建的聚合PEGDA(比例尺:11 mm)制造的微流体曲折。 d A网状结构使用熔融电解(frmark bar:5mm)制备frompoly(ε-己内酯)。 插图显示了网眼的显微镜图像,其光纤直径为25.0μm(比例尺:100μm)。 e熔融石英玻璃的中空网状结构(比例尺:4.5 mm)。 插图显示宽度约为18.4μm的微腔(比例尺:100μm)

石英玻璃微加工3D打印技术,实现复杂三维中空微结构

△STR使用直接激光写入产生的模板。 a Polymeric DNA双螺旋(比例:500μm)。 b 熔融石英玻璃的反向结构(比例尺:400μm)。 最小通道尺寸为20μm。 c Intertwined螺旋(比例:900微米)。 d Resulting在熔融石英玻璃中缠绕微流体螺旋通道,通道宽度为74μm。 通道填充有染料(参见插图,比例:140μm)。 面外混合器结构的e聚合物微结构(比例:600μm)。 熔融石英玻璃中的fMicro流体混合器结构,通道宽度为74μm(比例尺:280μm)。 可以看出,3D结构可以高度复杂地复制而且没有变形

石英玻璃微加工3D打印技术,实现复杂三维中空微结构

△熔融石英中悬浮空心微结构的表征。 a,b SEM的矩形通道横截面,纵横比为0.1和10(比例:100μm)。 c -f SEM为球形,三角形,梯形和矩形通道横截面(比例尺:10μm)。 所有模板都是使用直接激光写入制作的。 “球形”通道横截面的fl参与侧是由于模板的双光子聚合3D打印过程。结构被印刷在载玻片上并且需要一定的接触区域以防止结构从玻璃上脱离。 g,h SEM和白光干涉测量通道结构,平均粗糙度为Ra~20 nm(比例尺:10μm)


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