يدعي العلماء السويديون أن هذا هو أصغر كأس نبيذ مطبوع ثلاثي الأبعاد في العالم – Ars Technica

طور فريق من العلماء السويديين تقنية جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد لـ زجاج السيليكا يبسط عملية معقدة كثيفة الاستهلاك للطاقة. كدليل على المفهوم ، قاموا بطباعة أصغر كأس نبيذ في العالم (مصنوع من الزجاج الفعلي) باستخدام إطار أصغر من عرض شعرة واحدة ، بالإضافة إلى مرنان بصري لأنظمة اتصالات الألياف الضوئية – أحد التطبيقات العديدة المحتملة لـ مكونات زجاج السيليكا المطبوعة ثلاثية الأبعاد. وصفوا طريقتهم الجديدة في الورقة الأخيرة في مجلة Nature Communications.

“يعتمد العمود الفقري للإنترنت على الألياف الضوئية المصنوعة من الزجاج ،” قال المؤلف المشارك كريستين جيلفاسون من المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH في ستوكهولم. “في هذه الأنظمة ، هناك حاجة إلى جميع أنواع الفلاتر والمقارنات التي يمكن الآن طباعتها ثلاثية الأبعاد من خلال تقنيتنا. وهذا يفتح العديد من الاحتمالات الجديدة.”

يعتبر زجاج السيليكا (أي ثاني أكسيد السيليكون غير المتبلور) أحد المواد التي لا تزال تمثل تحديًا للطباعة ثلاثية الأبعاد ، خاصة على المستوى المجهري ، وفقًا للمؤلفين ، على الرغم من أن العديد من الطرق تسعى لمواجهة هذا التحدي ، بما في ذلك الطباعة الحجرية الحجرية والكتابة بالحبر المباشر ومعالجة الضوء الرقمي. حتى هؤلاء تمكنوا فقط من تحقيق أحجام الميزات في حدود عدة عشرات من الميكرومترات ، باستثناء واحد دراسة 2021 التي أبلغت عن دقة المقياس النانوي.

لكن كل هؤلاء يستخدمون سول جل العمليات التي تنطوي على مخاليط عضوية مختلفة محملة بجزيئات السيليكا النانوية. لذا فإن الهياكل المطبوعة النهائية عبارة عن مواد مركبة تحتوي على العديد من المواد العضوية ، وبالتالي تفتقر إلى أكثر الخصائص المرغوبة لزجاج السيليكا (على سبيل المثال ، الاستقرار الحراري والكيميائي ، والصلابة ، والشفافية الضوئية على نطاق واسع من الأطوال الموجية). يتطلب خطوة تلبيد إضافية عند درجات حرارة عالية تبلغ حوالي 1200 درجة مئوية (2192 درجة فهرنهايت) لعدة ساعات لإزالة المخلفات العضوية وتحقيق تلك الخصائص. هذه الخطوة الإضافية كثيفة الاستهلاك للطاقة تحد بشدة من التطبيقات المحتملة حيث يمكن استخدام مواد الركيزة التي يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة فقط. تتطلب بعض الأساليب أيضًا تجميع الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد في شكل نهائي ، وهو ما يمثل تحديًا على مقياس الميكرومتر.

عند تطوير تقنيتهم ​​البديلة للطباعة ثلاثية الأبعاد لزجاج السيليكا ، Gylfason وآخرون. يتحول الى silsesquioxane الهيدروجين (HSQ) ، مادة غير عضوية تشبه السيليكا ويمكن تشكيلها بواسطة أشعة الإلكترون وأشعة الأيونات وأطوال موجية معينة من الأشعة فوق البنفسجية. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية في أن طريقتهم لا تعتمد على المركبات العضوية لتعمل كمحولات ضوئية أو مواد رابطة تبقى على الركيزة ، كما هو الحال مع الطباعة الحجرية الحجرية أو الكتابة بالحبر المباشر. بدلاً من ذلك ، تعتمد طريقتهم على الربط المتبادل المباشر لـ HSQ غير العضوي.

العملية لها ثلاث خطوات رئيسية. أولاً ، قاموا بإسقاط HSQ المذاب في مذيبات عضوية على ركيزة. بمجرد أن يجف HSQ ، يتتبعون الشكل ثلاثي الأبعاد المطلوب باستخدام شعاع ليزر مركّز دون بيكو ثانية. أخيرًا ، يتم إذابة أي HSQ غير مكشوف باستخدام سهل لمحلول هيدروكسيد البوتاسيوم. أظهر التحليل الطيفي لرامان للبنى المجهرية المطبوعة جميع الميزات المتوقعة لزجاج السيليكا.

ومع ذلك ، كانت هناك أيضًا آثار متبقية للهيدروجين والكربون. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب زجاج سيليكا أكثر نقاءً ، يمكن إزالة المواد العضوية المتبقية عن طريق تلدين الهياكل عند 900 درجة مئوية (1،652 درجة فهرنهايت) – وهي خطوة إضافية ممنوحة ، ولكن عند درجة حرارة أقل بكثير من خطوة التلبيد الإضافية المعتادة. بعد ذلك ، تطابق طيف الهياكل مع ركيزة زجاجية السيليكا المنصهرة التجارية. في حين أن تلدين الهياكل المجهرية ثلاثية الأبعاد يمكن أن يتسبب في تقلصها أو تشويهها ، وجد المؤلفون أن الحد الأقصى للانكماش لهياكل زجاج السيليكا الخاصة بهم كان حوالي 6 بالمائة ، مقارنة بما بين 16 بالمائة و 56 بالمائة للأجسام الزجاجية المصنوعة باستخدام الطباعة الحجرية وأساليب الكتابة بالحبر المباشر. .

بالإضافة إلى زجاج النبيذ الصغير الذي يثبت صحة المفهوم والرنان البصري ، طبع المؤلفون نسخة صغيرة من شعار KTH ، وكابول ، ولولب مخروطي الشكل ، بالإضافة إلى طرف ألياف بصرية من زجاج السيليكا. ويعتقدون أنه يمكن استخدام طريقتهم في صنع عدسات مخصصة للأجهزة الطبية والروبوتات الدقيقة أيضًا. يمكن أن يؤدي طلاء الهياكل المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالماس النانوي أو الجسيمات النانوية الحديدية إلى تمكين مزيد من التفصيل لخصائص تكامل الضوئيات الكمومية الهجينة أو إزالة التحكم في حركة الهياكل مغناطيسيًا ، على التوالي.

“عادة ما تكون المخاوف عند دمج طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد مختلفة لتطبيقات مختلفة ،” قال المؤلف المشارك بو هان هوانغ، طالب دراسات عليا في KTH. “على الرغم من أن تحسين أسلوبنا لا يزال مطلوبًا لتطبيقات مختلفة ، فإننا نعتقد أن طريقتنا تقدم اختراقًا مهمًا وضروريًا للطباعة ثلاثية الأبعاد على الزجاج لاستخدامها في سيناريوهات عملية.”

DOI: Nature Communications، 2023. 10.1038 / s41467-023-38996-3 (حول DOIs).