Instituto Real de Tecnología KTH
Un equipo de científicos suecos ha desarrollado una nueva técnica de impresión 3D para vidrio de sílice que agiliza un complicado proceso que consume mucha energía. Como prueba de concepto, imprimieron en 3D la copa de vino más pequeña del mundo (hecha de vidrio real) con un borde más pequeño que el ancho de un cabello humano, así como un resonador óptico para sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica, una de varias aplicaciones potenciales. para componentes de vidrio de sílice impresos en 3D. Describieron su nuevo método en un artículo reciente en la revista Nature Communications.
“La columna vertebral de Internet se basa en fibras ópticas hechas de vidrio”, dijo la coautora Kristinn Gylfason del Instituto Real de Tecnología KTH en Estocolmo. “En esos sistemas, se necesitan todo tipo de filtros y acopladores que ahora pueden ser 3D. impreso por nuestra técnica. Esto abre muchas nuevas posibilidades”.
El vidrio de sílice (es decir, el dióxido de silicio amorfo) es un material que sigue siendo un desafío para la impresión 3D, particularmente a microescala, según los autores, aunque varios métodos buscan abordar ese desafío, incluida la estereolitografía, la escritura directa con tinta y el procesamiento de luz digital. Incluso esos solo han podido lograr tamaños de características del orden de varias decenas de micrómetros, aparte de un estudio de 2021 que informó una resolución a nanoescala.
Pero todos ellos utilizan procesos sol-gel que involucran diferentes mezclas orgánicas cargadas con nanopartículas de sílice. Entonces, las estructuras impresas finales son compuestos con muchos materiales orgánicos, por lo que carecen de las propiedades más deseadas del vidrio de sílice (es decir, estabilidad térmica y química, dureza, transparencia óptica en una amplia gama de longitudes de onda). Requiere un paso de sinterización adicional a altas temperaturas de alrededor de 1200 ° Celsius (2192 ° F) durante varias horas para eliminar los residuos orgánicos y lograr esas propiedades. Ese paso adicional que consume mucha energía limita severamente las aplicaciones potenciales, ya que solo se pueden usar materiales de sustrato que puedan soportar temperaturas tan altas. Algunos enfoques también requieren ensamblar estructuras impresas en 3D en una forma final, lo cual es un desafío a escala micrométrica.
Al desarrollar su técnica alternativa para la impresión 3D de vidrio de sílice, Gylfason y otros. convirtió en hidrógeno silsesquioxano (HSQ), un material inorgánico que es similar a la sílice y puede modelarse mediante haces de electrones, haces de iones y ciertas longitudes de onda de luz ultravioleta. Una de las principales ventajas es que su método no se basa en compuestos orgánicos para actuar como fotoiniciadores o aglutinantes que permanecen en el sustrato, como ocurre con la estereolitografía o la escritura con tinta directa. En cambio, su método se basa en la reticulación directa del HSQ inorgánico.
El proceso tiene tres pasos principales. Primero, arrojaron HSQ disuelto en solventes orgánicos sobre un sustrato. Una vez que el HSQ se seca, trazan la forma 3D deseada utilizando un rayo láser de subpicosegundos enfocado. Finalmente, cualquier HSQ no expuesto se disuelve con la práctica aplicación de una solución de hidróxido de potasio. La espectroscopia Raman de las microestructuras impresas mostró todas las características esperadas para el vidrio de sílice.
Sin embargo, también había rastros de hidrógeno y carbono residuales. Para aplicaciones que requieren un vidrio de sílice más puro, los compuestos orgánicos residuales se pueden eliminar recociendo las estructuras a 900 ° Celsius (1652 ° F), un paso adicional, por supuesto, pero a una temperatura mucho más baja que el paso de sinterización adicional habitual. Después de eso, el espectro de las estructuras coincidió con el de un sustrato de vidrio de sílice fundido comercial. Si bien el recocido de las microestructuras impresas en 3D puede hacer que se encojan o se distorsionen, los autores descubrieron que la contracción máxima de sus estructuras de vidrio de sílice era de alrededor del 6 %, en comparación con entre el 16 % y el 56 % de los objetos de vidrio fabricados con estereolitografía y métodos de escritura con tinta directa. .
Además de la pequeña copa de vino y el resonador óptico de prueba de concepto, los autores imprimieron una versión pequeña del logotipo de KTH, un voladizo y una espiral cónica, así como una punta de fibra óptica de vidrio de sílice. Creen que su método también podría usarse para fabricar lentes personalizados para dispositivos médicos y micro-robots. Recubrir las microestructuras impresas en 3D con nanodiamantes o nanopartículas ferrosas podría permitir una mayor adaptación de las propiedades para la integración de la fotónica cuántica híbrida o eliminar magnéticamente el control de movimiento de las estructuras, respectivamente.
«Las preocupaciones al integrar métodos de impresión 3D suelen ser diferentes para diferentes aplicaciones», dijo el coautor Po-Han Huang, estudiante graduado de KTH. «Aunque aún se requiere la optimización de nuestro método para diferentes aplicaciones, creemos que nuestro método presenta un avance importante y necesario para que la impresión 3D de vidrio se utilice en escenarios prácticos”.
DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038/s41467-023-38996-3 (Acerca de los DOI).