Neue Methode zur Durchführung des 3D-Drucks von nanoskaligem Quarzglas ermöglicht deutlich niedrigere Temperaturen

Bericht vom 5. Juni 2023

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von Bob Yirka, Phys.org

Materialwissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie, der University of California, Irvine und Edwards Lifesciences haben eine Möglichkeit entwickelt, nanoskalige Glasstrukturen bei viel kühleren Temperaturen als frühere Methoden in 3D zu drucken.

In ihrer Studie, über die in der Fachzeitschrift Science berichtet wurde, nutzten Jens Bauer, Cameron Crook und Tommaso Baldacchini ihre Technik, um eine Vielzahl von Nanostrukturen zu drucken. Paolo Colombo und Giorgia Franchin von der Universität Padua haben in derselben Zeitschriftenausgabe einen Perspective-Artikel veröffentlicht, in dem sie Methoden zum Drucken von nanoskaligen Gläsern und Keramiken sowie die Arbeit des Teams an diesem neuen Projekt skizzieren.

In den letzten Jahren wurde der 3D-Druck in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, was zu beeindruckenden Kunstwerken, kostengünstigeren Produkten und hochdetaillierten physischen Modellen führte. Eine Anwendung, die Interesse geweckt hat, ist der 3D-Druck von Objekten im Nanomaßstab – solche Objekte werden bei der Herstellung winziger elektronischer Geräte verwendet, insbesondere bei Teilen, die Licht nutzen. Bisher beschränkten sich die meisten dieser Anwendungen auf die Herstellung von Gegenständen aus Polymeren, da sich das Grundmaterial leicht schmelzen und dann durch Abkühlen aushärten lässt.

Polymere bieten jedoch nicht die Auflösung, die für die lichtbasierte Nanophotonik erforderlich ist. Leider waren Versuche, 3D-Glasstrukturen zu drucken, aufgrund der extrem hohen Temperaturen, die zum Sintern (Schmelzen zu einer festen Masse) erforderlich sind, nur teilweise erfolgreich. Bei dieser neuen Anstrengung fand das Forschungsteam einen Weg, nanoskalige Strukturen bei Temperaturen zu drucken, die fast halb so hoch sind wie bei herkömmlichen Ansätzen.

Anstatt wie bei anderen Methoden suspendierte Silica-Nanopartikel zu verwenden, schufen die Forscher eine käfigförmige Struktur aus flüssigem Harz um polyedrische oligomere Silsesquioxanmoleküle. Anschließend verwendete das Team das Harz als Tinte für den 3D-Druck von Objekten und erhitzte sie dann auf 650 °C (andere Methoden erforderten eine Erwärmung auf 1100 °C). Durch Erhitzen wurden die organischen Bestandteile entfernt und die Käfige zu einem durchgehenden Glasmaterial geformt.

Das Team testete seinen Ansatz durch den 3D-Druck von Mikrolinsen und anderen winzigen Objekten und schlug vor, dass er für den On-Chip-Druck von Quarzglas in optischer Qualität verwendet werden könnte.

Mehr Informationen: J. Bauer et al., Ein sinterloser Niedertemperaturweg zum 3D-Druck von nanoskaligem Glas in optischer Qualität, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq3037

Paolo Colombo et al., Improving glass nanostructure fabrication, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adi2747

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