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

طور فريق من العلماء السويديين تقنية جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد زجاج السيليكا يبسط عملية معقدة كثيفة الاستهلاك للطاقة. كدليل على المفهوم ، تمت طباعة أصغر كأس نبيذ في العالم (مصنوع من زجاج حقيقي) مع حافة أصغر من عرض شعرة الإنسان ، بالإضافة إلى مرنان بصري لأنظمة الاتصالات السلكية واللاسلكية ذات الألياف البصرية – واحد فقط من بين العديد من الأجهزة الممكنة التطبيقات. مكونات زجاج السيليكا المطبوعة ثلاثية الأبعاد. استخدموا نظامهم الجديد كملف أحدث ورقة في مجلة Nature Communications.

“يعتمد العمود الفقري للإنترنت على الألياف الضوئية المصنوعة من الزجاج” قال المؤلف المشارك كريستين جيلفاسون المعهد الملكي للتكنولوجيا KTH في ستوكهولم. “تتطلب هذه الأنظمة جميع أنواع المرشحات والموصلات ، والتي يمكن الآن طباعتها ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنيتنا. وهذا يفتح العديد من الاحتمالات الجديدة.”

يعتبر زجاج السيليكا (المعروف أيضًا باسم ثاني أكسيد السيليكون غير المتبلور) مادة صعبة للطباعة ثلاثية الأبعاد ، خاصة على النطاق المجهري ، وفقًا للمؤلفين ، والعديد من الطرق ، بما في ذلك الطباعة الحجرية الحجرية ، والحبر المباشر ، ومعالجة الضوء الرقمي ، تحاول مواجهة هذا التحدي. باستثناء واحد ، كانوا قادرين فقط على تحقيق أحجام الميزات بترتيب عدة عشرات من الميكرومترات دراسة 2021 تم الإبلاغ عن دقة المقياس النانوي.

لكنهم جميعا مستخدمون سول جيل العمليات التي تنطوي على مركبات عضوية مختلفة محملة بجسيمات السيليكا النانوية. وبالتالي ، فإن الهياكل المطبوعة النهائية عبارة عن مواد مركبة تحتوي على العديد من المواد العضوية ، وبالتالي فهي تفتقر إلى أكثر الخصائص المرغوبة لزجاج السيليكا (على سبيل المثال ، الاستقرار الحراري والكيميائي ، والصلابة ، والشفافية الضوئية على نطاق واسع من الأطوال الموجية). مطلوب خطوة تلبيد إضافية عند درجات حرارة عالية تصل إلى 1200 درجة مئوية (2192 درجة فهرنهايت) لعدة ساعات لإزالة المخلفات العضوية وتحقيق تلك الخصائص. نظرًا لأنه لا يمكن استخدام سوى مواد الركيزة التي يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية ، فإن خطوة الإضافة كثيفة الاستهلاك للطاقة تحد بشدة من التطبيقات الممكنة. تتطلب بعض الأساليب تجميع هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد في شكل نهائي ، وهو ما يمثل تحديًا على مقياس الميكرومتر.

عند تطوير تقنيتهم ​​البديلة للطباعة ثلاثية الأبعاد لزجاج السيليكا ، Gylfason واشياء أخرى عديدة. تراجع silsesquioxane الهيدروجين (HSQ) ، هي مادة غير عضوية تشبه السيليكا ويمكن تشكيلها بواسطة أشعة الإلكترون وأشعة الأيونات وأطوال موجية معينة من الأشعة فوق البنفسجية. الميزة الرئيسية هي أن طريقتهم لا تعتمد على مقاومات الضوء القائمة على الركيزة أو المركبات العضوية لتعمل كمجلدات ، مثل الطباعة الحجرية الحجرية أو الكتابة بالحبر المباشر. بدلاً من ذلك ، تعتمد طريقتهم على الربط المتبادل المباشر لـ HSQ غير العضوي.

تتكون العملية من ثلاث خطوات رئيسية. أولاً ، يقومون بإذابة HSQ كركيزة في المذيبات العضوية. بمجرد أن يجف HSQ ، فإنهم يتتبعون الشكل ثلاثي الأبعاد المطلوب باستخدام شعاع ليزر مركّز دون بيكو ثانية. أخيرًا ، يتم إذابة أي HSQ غير مكشوف بتطبيق بسيط 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 نقي للغاية ، يمكن إزالة المواد العضوية المتبقية عن طريق تلدين الهياكل عند 900 درجة مئوية (1،652 درجة فهرنهايت) – وهي خطوة إضافية مسموح بها ، ولكن بدرجة حرارة أقل بكثير من خطوة التلبيد الإضافية التقليدية. بعد ذلك ، تمت مطابقة طيف الهياكل مع ركيزة زجاجية السيليكا المنصهرة التجارية. في حين أن تلدين الهياكل المجهرية المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يتسبب في تقلصها أو تشوهها ، وجد المؤلفون أن الحد الأقصى للانكماش لهياكل زجاج السيليكا الخاصة بهم كان حوالي 6 في المائة ، مقارنة بـ 16 في المائة إلى 56 في المائة للأجسام الزجاجية المصنوعة باستخدام الطباعة الحجرية وطرق الكتابة بالحبر المباشر . .

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

“تختلف الاهتمامات عند دمج طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل عام باختلاف التطبيقات.” قال المؤلف المشارك بو هان هوانغ، طالب دراسات عليا في KTH. “على الرغم من أن طريقتنا لا تزال بحاجة إلى التحسين لتطبيقات مختلفة ، فإننا نعتقد أن طريقتنا توفر تقدمًا مهمًا وضروريًا للطباعة ثلاثية الأبعاد على الزجاج المستخدمة في المواقف العملية.”

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