Polimerizzazione a due fotoni di nanocompositi per la fabbricazione di microstrutture in vetro di silice fusa trasparente

GLI SCIENZIATI DI FREIBURG-NANOSCRIBE UTILIZZANO LA STAMPANTE 3D 2PP PER CREARE OTTICHE IN VETRO ULTRA PRECISE

Scienziati dell’Università di Friburgo e il produttore di stampanti 3D Nanoscribe hanno utilizzato un sistema di polimerizzazione a due fotoni (2PP) per fabbricare microstrutture di silice di vetro con una risoluzione di pochi decimi di micrometro.

Usando la loro nuova resina a base di polimero “ Glassomer ”, il team ha stampato in 3D oggetti con una rugosità superficiale di 6 nanometri, molto inferiore ai 40-200 nanometri visti in molte altre parti di vetro. In futuro, gli scienziati ritengono che il loro esclusivo processo di stampa, deceraggio e sinterizzazione potrebbe essere utilizzato per produrre microottiche di nuova generazione con potenziali applicazioni biomediche.

“Questa tecnologia consente, per la prima volta, di elaborare il vetro utilizzando una delle tecniche di stampa 3D più entusiasmanti”, ha affermato Bastian Rapp, professore presso l’Università di Friburgo. “Con questo, dettagli strutturali e componenti precedentemente irraggiungibili con una complessità eccezionale diventeranno facilmente accessibili.”

Il vetro al silicato offre un alto livello di trasparenza ottica e qualità di resistenza termica e chimica che lo rendono ideale per applicazioni ottiche, microfluidiche e chimiche. Tuttavia, se utilizzato all’interno di processi di produzione come la molatura e la lucidatura, spesso è possibile creare solo oggetti con geometrie semplici e precisione micrometrica.

Allo stesso modo, quando vengono prodotte utilizzando tecniche di incisione laser assistita, le parti in vetro di silicato tendono ad avere superfici ruvide di 40-200 nm, richiedendo un’eccessiva post-elaborazione prima dell’uso. 2PP, d’altra parte, utilizza l’assorbimento di due fotoni, che confina il voxel di polimerizzazione durante la stampa, producendo parti a risoluzione più elevata con superfici più lisce.

La tecnica viene spesso utilizzata per fabbricare oggetti in plastica, ceramica o metallo e, sebbene sia in corso un’ampia ricerca e sviluppo su 2PP in vetro, il processo non è stato ancora perfezionato. Dato il potenziale biomedico commerciale delle parti in silicato di vetro completamente ottimizzate, il team di Friburgo, quindi, ha deciso di collaborare con Nanoscribe per innovare un processo di stampa 3D rivisto.

Al centro del nuovo metodo dei ricercatori c’era il loro nuovo nanocomposito di silicato glassomerico, che consisteva in nanoparticelle di silice racchiuse in una matrice legante. Sebbene il team fosse già riuscito a utilizzare il materiale all’interno di un processo SLA, non poteva usarlo per ottiche di vetro di stampa 3D 2PP a causa del suo basso livello di trasparenza.

Per combattere questo, gli scienziati hanno aumentato la reticolazione chimica della loro resina per fornirle una maggiore velocità di polimerizzazione. Ciò non solo ha aiutato la sua stabilità chimica, ma le ha anche dato una trasparenza del 91,6%. Sfruttando la loro miscela rivista e una stampante 3D Photonic Professional GT2 , il team ha quindi fabbricato una serie di prototipi di nanostrutture polimeriche.

Una volta stampati, i campioni sono stati immersi in metanolo per eliminare qualsiasi materiale non polimerizzato e riscaldati a una temperatura di 600 ° C per rimuovere il loro legante polimerico. Le parti risultanti sono state quindi sinterizzate in vetro di silice fuso e, sebbene presentassero un ritiro minore, potevano anche essere stampate in strutture altamente complesse.

Per dimostrarlo, il team ha stampato in 3D tre microlenti verticali insieme, che avevano una rugosità superficiale di 6,1 nm senza la necessità di alcuna post-elaborazione. Inoltre, i dispositivi presentavano un indice di rifrazione medio di 1,4585, che conferiva loro caratteristiche quasi identiche a quelle dei dispositivi ottici in vetro commerciali.

Con ulteriori attività di ricerca e sviluppo e un set di parametri specifici per l’applicazione, il team ha concluso che il loro nuovo approccio potrebbe essere implementato per creare una nuova generazione di componenti in vetro ultra liscio con vaste applicazioni di fotonica, scienze della vita e ingegneria biomedica.

Progressi nella stampa nano 3D

Nanoscribe è uno dei primi leader in un mercato emergente della stampa 3D 2PP, che vede le aziende competere per sviluppare processi di creazione di parti microscopiche sempre più complesse.

Nanoscribe ha introdotto la sua stampante 3D 2PP Quantum X nel giugno 2019, che è in grado di produrre microottiche rifrangenti e diffrattive fino a 200 micron. All’epoca, il co-fondatore dell’azienda Michael Thiel affermò che la macchina offriva agli utenti “libertà di progettazione e facilità d’uso senza precedenti”.

Allo stesso modo, lo specialista 2PP UpNano ha debuttato con la sua stampante 3D NanoOne proprio il mese scorso. Il primo lancio commerciale dell’azienda ha già assicurato diversi ordini sia nell’industria che nel mondo accademico, riflettendo le crescenti applicazioni di ricerca della tecnologia.

La stampa 3D 2PP ha anche trovato applicazioni sperimentali e un team con sede presso l’ Università di Grenoble ha tentato di controllare le loro microstrutture additive utilizzando campi magnetici. Incorporando microsfere in una stampa a forma di falco del millennio , gli scienziati sono stati effettivamente in grado di farlo “volare”.

I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato ” Polimerizzazione a due fotoni di nanocompositi per la fabbricazione di microstrutture in vetro di silice fusa trasparente”. “La ricerca è stata co-autore di Frederik Kotz, Alexander S. Quick, Patrick Risch, Tanja Martin, Tobias Hoose, Michael Thiel, Dorothea Helmer e Bastian E. Rapp.

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