据中国激光杂志社网，于2023年10月26日报道，随着3D打印技术在各领域的广泛应用，其在玻璃制造中的潜力逐渐受到关注，但传统用于玻璃制造的3D打印技术过程既耗时又需要高温及大量资源。近期，美国佐治亚理工学院的研究团队提出了一种创新方法：利用深紫外线（DUV）光来3D打印玻璃微结构，来代替传统的高温方法。这一技术所生产的微米级硅玻璃结构可广泛应用于光学、微流体、医疗设备等领域。相关研究发表在Science Advances（www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi2958）上。
与商业玻璃媲美：紫外光低温3D打印玻璃“崭露头角”
研究团队利用光敏聚二甲基硅氧烷（PDMS）树脂（如图1左）作为3D打印的“墨水”，利用双光子聚合（2PP）这一高精度3D打印技术，成功将PDMS树脂塑造成微细结构。接着，他们在臭氧环境下用DUV灯照射，将2PP打印出的PDMS微结构转变为厚度不超过人类头发丝直径二氧化硅玻璃（如图1右）。经过一系列的化学鉴定，验证了PDMS已成功转化为二氧化硅玻璃。研究结果显示，这种打印的石英玻璃透明度高、表面平滑，与商业化的熔融石英玻璃相当。整个玻璃打印过程的最高温度约为220°C，可在不到5小时内完成。
此外，研究团队借助技术成功打造了一系列复杂的3D玻璃微结构，例如用作概念验证的150 μm ×150 μm的石英玻璃镜片，这种镜片有望应用于内窥镜等医疗设备。他们还成功制造了一个直径约为30 μm、表面粗糙度极低的3D玻璃微流控通道。相比于由聚合物材料打造的微流体芯片，玻璃芯片可能更具优势，因为它能有效抵御化学物质或体液的侵蚀。
光化学方法优势明显，未来可期
项目主要参与人Mingzhe Li指出：“我们的低温3D打印技术适用于制作具备玻璃结构的微电子器件，可以实现原位打印，能直接在微电子元件上工作。鉴于微电子所用的半导体材料无法承受过高的温度，若想在器件板上直接打印，只能在低温下进行，200 °C的条件完全满足这一要求。”
传统的3D打印玻璃技术可能耗时超过12个小时、甚至数天，并且需要大量能量，温度高达1100°C。这项新技术首次采用了基于光化学的方法，通过DUV-臭氧处理来打造3D硅玻璃微结构，相较于现有技术，它展现出了诸多优势。该技术能够在220 °C条件下转化出透明石英玻璃，这一温度远低于传统的烧结要求。对微型结构而言，这一转化过程极为迅速，仅用时约5小时。不同于传统技术中为控制热量而故意降低速度的方案，佐治亚理工学院团队采用的方法在转化过程中无需额外的收缩控制步骤，可确保微观结构的完整性。图3展示了一个3D打印的玻璃微流体通道（空心和充满液体）。
这种快速、低温的二氧化硅微结构打印工艺非常节能，且采用了一种广泛应用的光树脂，不含任何二氧化硅纳米颗粒，从而避免了传统工艺中可能遇到的分散、粘度和光学问题。由于无需添加其他的聚合物材料，这项技术还进一步节约了资源。目前的低温3D打印技术能够制作200 ~ 300 μm尺寸的玻璃结构。团队现已着手对这些玻璃结构进行按比例放大，期望达到毫米级别的打印尺度。
负责这项研究的H. Jerry Qi教授表示：“这是一个探索性的事例，表明在无需高温的条件下制造陶瓷存在可能性。3D打印技术的发展以及对陶瓷的关注促使我们探索制作陶瓷的新方法。我们的团队汇聚了化学和材料科学领域的专家，采用数据驱动的方法挑战现有的界限，探索是否能通过此法生产更多种类的陶瓷。我们的目标是尝试前所未有的尖端技术，在增材制造中将聚合物在低温下转化为陶瓷。”
紫外光谱技术的发展日新月异，极紫外光（EUV）是紫外光（UV）范围中的子区域，具有比其他UV子区域更短的波长，常用于高精度的技术应用。为提升我国在极紫外光源相关的科学、技术与应用领域的研究水平，促进极紫外光源面向世界科学前沿、国家战略需求、国民经济主战场、信息与人工智能等领域的全面发展，《中国激光》拟于2024年第7期（4月）出版“极紫外光源及应用”专题，集中报道极紫外光源在研究和技术应用方面的最新进展，促进复合型高素质人才培养和相关学科建设。
征稿方向：包括但不限于各类产生极紫外光源的创新性技术、极紫外光源关键器件、极紫外光源传输控制和检测、极紫外光源在先进半导体制造领域的应用、极紫外光飞秒阿秒激光在超快动力学方面的应用、极紫外光与物质相互作用等。
截稿日期：2023年12月10日。
出版时间：2024年第7期（4月）。
投稿方式及格式：通过《中国激光》期刊官网进入“作者中心”，按系统要求填写信息，上传稿件（作者留言中备注“极紫外光源及应用"专题投稿）。投稿模板及要求请详见官网“下载中心”。
