Nature：3D打印透明石英玻璃

【引言】

玻璃由于其無可匹敵的光學透明性，出色的機械性能以及優異的熱、電、化學阻隔性在科學研究中受到廣泛關注。眾所周知，傳統玻璃制品通過雕刻或吹塑而成形，這往往需要較高的溫度，且過程復雜繁瑣，有時還需要使用有毒的化學試劑，不符合現代綠色產業要求。近年來，3D打印成為新興產業，但3D打印往往使用樹脂材料，上述缺點使得玻璃難以在現代3D制造技術方面得以廣泛應用，成為目前一項極具挑戰且富有前景的課題。

【成果簡介】

近日，德國卡爾斯魯厄理工學院的Bastian E. Rapp（通訊作者）等人在Nature上發表了題為“Three-dimensional printing of transparent fused silica glass”的文章，提出了“液體玻璃”的系統，即將優良的玻璃粉末分散在適宜液體中，形成懸浮液。3D打印機便可對此納米復合材料直接加工，再經過熱處理，除去多余部分，即可得到各種形狀的玻璃，其精度只受3D打印機準確度的影響。這種打印的石英玻璃無孔，透明性好且表面光滑。通過摻雜金屬鹽，可得到各種顏色的玻璃制品。這項研究不僅拓寬了3D打印的材料，同時還使各種尺寸石英玻璃的獲取成為可能。

【圖文導讀】

圖1 熔融石英玻璃的3D打印

a)可紫外固化的單體溶劑與無定型的硅納米粉末混合，形成納米混合物，然后在立體平版印刷下，形成的聚合復合物通過熱脫脂及燒結最終轉變為石英玻璃。（比例尺：7mm）

b、c) 印刷燒結的玻璃結構的例子。分別為卡爾斯魯厄理工學院和椒鹽卷餅的標志。（比例尺：5mm）

d) 印刷石英玻璃的高熱阻性示例。（比例尺：1cm），其中的火焰溫度大約為800。

圖2 燒結玻璃的特性以及納米復合材料的高分辨率

a、b) 與商業石英玻璃相比，印刷燒結石英玻璃的X射線光電子能譜和拉曼光譜。

c) 左邊是用于微立體平版印刷的指數匹配的納米復合材料與非指數匹配的鑄造泥漿的紫外-可見光透射光譜圖。在365nm的波長照射下，基于微立體平版印刷的納米復合材料的透射率大約增加了62%。當鑄造泥漿正在強烈吸收光時（透射率大約為4%），這種納米復合材料是高度透明的（透射率大約為66%）。右邊分別為鑄造和微立體平版印刷的納米復合材料。

圖3 石英玻璃的微結構

a)中空城堡大門的微立體平版印刷。（比例尺：270μm）

b) 典型微流控芯片的微立體平版印刷。（插圖比例尺：200μm）

c) 微光衍射結構產生底部所示的光學投影圖案。（用綠色激光棒照明；比例尺：100μm）

d) 使用灰度平板印刷構造的顯微鏡頭。（插圖比例尺：100μm）

圖4 燒結玻璃的表面和光學特性

a)印刷玻璃部分顯示了逐層微立體平板印刷過程中臺階和側壁的起伏，印刷部分的厚度為20μm。（比例尺：80μm）

b) 原子力顯微鏡對于石英玻璃中微流通道的測量，表明頂部表面的粗糙度很低，大約為2nm，z表示所測樣品的高度。（比例尺：260μm）

c) 與商業石英玻璃相比，印刷燒結玻璃的紫外可見光譜圖，其透射光譜幾乎是相似的。金屬鹽的摻雜將形成色彩豐富的二元石英玻璃。（如c中右圖所示）

【小結】

本文報道了一種基于3D打印得到石英玻璃的方法。此種方法確保了在大或微米尺度上制備出形狀復雜，具有高度透明，熱阻性優異，機械性能良好的玻璃。同時它也擴展了3D打印技術的材料，具有很大的應用前景。

文獻鏈接：Three-dimensional printing of transparent fused silica glass?（Nature, 2017, DOI:10.1038/nature22061）

本文由材料人編輯部張虞編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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