Các nhà khoa học phát triển kỹ thuật in 3D sáng tạo để tạo cấu trúc vi mô bằng thủy tinh với ánh sáng

Theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley đã phát triển một phương pháp mới cho các vi cấu trúc thủy tinh in 3D. Phương pháp này nhanh hơn và tạo ra các vật thể có chất lượng quang học cao hơn, độ linh hoạt và độ bền của thiết kế.

Các nhà nghiên cứu, cộng tác với các nhà khoa học tại Đại học Freiburg ở Đức, đã mở rộng khả năng của quy trình in 3D mà họ đã phát triển ba năm trước, Computational Axial Lithography (CAL), để in các tính năng tốt hơn và in trong thủy tinh. Họ gọi hệ thống mới là "micro-CAL."

Kính thường là vật liệu được lựa chọn để chế tạo các vật thể cực nhỏ phức tạp, bao gồm thấu kính của máy ảnh nhỏ, chất lượng cao được sử dụng trong điện thoại thông minh và ống nội soi, và các thiết bị vi lỏng được sử dụng để phân tích hoặc xử lý một lượng nhỏ chất lỏng. Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất hiện tại có thể chậm, tốn kém và hạn chế về khả năng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành.

Quy trình CAL về cơ bản khác với quy trình sản xuất in 3D công nghiệp ngày nay, quy trình tạo ra các vật thể từ các lớp vật liệu mỏng. Kỹ thuật này có thể tốn nhiều thời gian và có thể dẫn đến kết cấu bề mặt thô ráp. Tuy nhiên, CAL 3D in toàn bộ đối tượng cùng một lúc. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser để chiếu một mẫu ánh sáng vào một vật liệu cảm quang đang quay, tạo ra liều lượng ánh sáng ba chiều, sau đó đông đặc lại thành hình dạng mong muốn. Bản chất không có lớp của quy trình CAL cho phép bề mặt nhẵn và có dạng hình học phức tạp.

Nghiên cứu này đã vượt qua ranh giới của CAL, chứng minh khả năng in các đặc điểm ở kích thước siêu nhỏ trong cấu trúc thủy tinh. Hayden Taylor, nhà điều tra chính và là giáo sư kỹ thuật cơ khí tại UC Berkeley cho biết: “Khi chúng tôi công bố phương pháp này lần đầu tiên vào năm 2019, CAL có thể in các vật thể thành polyme với các đặc điểm có kích thước khoảng một phần ba milimet”. .

"Giờ đây, với micro-CAL, chúng tôi có thể in các vật thể bằng polyme với các đặc điểm nhỏ bằng khoảng 20 phần triệu mét, hoặc khoảng một phần tư chiều rộng của sợi tóc người. Và, lần đầu tiên, chúng tôi đã chứng minh cách tiếp cận này. bạn chỉ có thể in bằng polyme, nhưng bạn cũng có thể in trong thủy tinh, với các tính năng giảm xuống khoảng 50 phần triệu mét. "

Để in thủy tinh, Taylor và nhóm nghiên cứu của ông đã hợp tác với các nhà khoa học tại Đại học Freiburg, những người đã phát triển một loại vật liệu nhựa đặc biệt chứa các hạt thủy tinh nano được bao quanh bởi một chất lỏng kết dính nhạy sáng. Chiếu ánh sáng kỹ thuật số từ máy in sẽ làm rắn chắc chất kết dính, và các nhà nghiên cứu sau đó đốt nóng vật thể in để loại bỏ chất kết dính và hợp nhất các hạt lại với nhau thành một vật thể rắn bằng thủy tinh nguyên chất.

Taylor nói: “Yếu tố quan trọng ở đây là chiết suất của chất kết dính gần giống như chiết suất của thủy tinh, vì vậy sẽ có rất ít sự tán xạ ánh sáng khi nó truyền qua vật liệu. Quy trình in CAL và vật liệu được phát triển Glassomer (GmbH) này là sự kết hợp hoàn hảo của nhau. "

Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành các thử nghiệm và nhận thấy rằng các vật thể thủy tinh in CAL có độ bền ổn định hơn so với các vật thể được làm bằng quy trình in dựa trên lớp truyền thống. Taylor cho biết: “Khi các đồ vật bằng thủy tinh có nhiều khuyết tật hoặc vết nứt, hoặc có bề mặt thô ráp, chúng có xu hướng dễ vỡ hơn. Do đó, so với các quy trình in 3D dựa trên lớp khác, CAL làm cho các vật thể có bề mặt mịn hơn. Năng lực là một lợi thế tiềm năng lớn. "

Phương pháp in 3D của CAL cung cấp cho các nhà sản xuất vật kính cực nhỏ một phương thức mới và hiệu quả hơn để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của khách hàng về hình học, kích thước cũng như các tính chất quang học và cơ học. Cụ thể, điều này bao gồm các nhà sản xuất linh kiện quang học hiển vi là bộ phận quan trọng của máy ảnh compact, tai nghe thực tế ảo, kính hiển vi tiên tiến và các dụng cụ khoa học khác. Taylor nói: “Việc có thể sản xuất các bộ phận này với tốc độ cao hơn và tự do hình học có khả năng dẫn đến các khả năng của thiết bị mới hoặc chi phí thấp hơn.