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港理(li)工(gong)/港大(da)/港城(cheng)大《Nat. Commun.》：亞微米(mi)精(jing)度(du)單光(guang)子(zi)3D打(da)印熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃

更新(xin)時(shi)間(jian)：2024-04-10

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透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃作(zuo)為壹種(zhong)重(zhong)要(yao)材(cai)料(liao)，在現代(dai)社會中具(ju)備廣(guang)泛應(ying)用價(jia)值。其性能使(shi)得它(ta)在日常(chang)生(sheng)活、科(ke)學和(he)工(gong)業領域(yu)均發(fa)揮著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用。盡管(guan)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃具(ju)備優(you)異的(de)光學(xue)性能、熱(re)穩(wen)定(ding)性和化(hua)學(xue)耐(nai)久(jiu)性等優異(yi)特點(dian)，但(dan)其高(gao)硬度(du)和高(gao)脆(cui)性使(shi)得其可加(jia)工(gong)能性備受(shou)詬(gou)病。目前，傳統熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微結(jie)構制備工(gong)藝面臨著(zhe)流(liu)程(cheng)復雜、成本(ben)高(gao)昂(ang)以(yi)及(ji)材(cai)料(liao)易(yi)碎(sui)等諸(zhu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)，並(bing)且(qie)在實現(xian)復雜三(san)維（3D）結構方面仍然(ran)存(cun)在巨(ju)大(da)困難。這給新(xin)型玻(bo)璃(li)微納(na)米(mi)器(qi)件的(de)開發(fa)、高(gao)效(xiao)制(zhi)造(zao)和在先進(jin)功能(neng)領域(yu)的(de)應用帶來(lai)了巨(ju)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。

近年來(lai)，以(yi)3D打(da)印/增材(cai)制(zhi)造(zao)為代(dai)表的(de)先進(jin)制造(zao)技術為玻璃加(jia)工(gong)行(xing)業帶來(lai)了全(quan)新(xin)變革(ge)和(he)重(zhong)大突破(po)。相較於(yu)傳(chuan)統的(de)減(jian)材(cai)及(ji)等材(cai)成(cheng)型(xing)工(gong)藝，這些新(xin)興(xing)技術(shu)以(yi)數(shu)字設(she)計(ji)和(he)逐層累(lei)積(ji)為(wei)手段(duan)，成(cheng)為賦(fu)予(yu)玻璃構件設(she)計(ji)自(zi)由度(du)高(gao)和(he)精(jing)確(que)成型能力的(de)強大(da)工(gong)具(ju)，使(shi)得制(zhi)造(zao)任意熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃三(san)維結構成為(wei)可能(neng)。德(de)國Karlsruhe理(li)工(gong)學院(yuan)科(ke)學家(jia)利用立體(ti)光刻(ke)（SLA）技術制(zhi)備玻(bo)璃已(yi)取得(de)重(zhong)要(yao)突破（Nature, 2017, 544），成(cheng)功(gong)實(shi)現了(le)玻璃制(zhi)品在質量(liang)、復雜度(du)和精(jing)確(que)度(du)諸(zhu)多(duo)方(fang)面的(de)顯著(zhu)提升。這壹裏程碑式(shi)的(de)進(jin)展也預(yu)示著(zhe)通(tong)過(guo)3D打(da)印技術制(zhi)造(zao)具(ju)有(you)出色光學(xue)性能的(de)玻璃(li)結(jie)構離普(pu)及(ji)更(geng)近了壹步。隨著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推移(yi)，全球範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)研究(jiu)者(zhe)壹(yi)直在不斷努(nu)力提升玻璃打(da)印技術的(de)精(jing)確(que)性。通過(guo)采(cai)用雙光(guang)子(zi)飛秒(miao)激光直寫（TPP-DIW）技(ji)術(shu)，實(shi)現了(le)微納(na)米(mi)尺寸(cun)3D分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)玻璃(li)結(jie)構的(de)有效(xiao)成(cheng)形（Adv. Mater., 2021, 33）。

然(ran)而，盡管(guan)立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)和雙光(guang)子(zi)飛秒(miao)激光直寫已(yi)分(fen)別(bie)實(shi)現(xian)了(le)約50 μm和約100 nm的(de)成型(xing)分(fen)辨(bian)率(lv)，並(bing)在宏觀(guan)及(ji)納(na)觀尺度(du)上顯著(zhu)擴展(zhan)了(le)玻(bo)璃三(san)維構件的(de)應用領域(yu)，但(dan)由於(yu)3D打(da)印技術在精(jing)度(du)和效(xiao)率(lv)方面存在固有矛盾(dun)，迄(qi)今(jin)為(wei)止(zhi)，已(yi)有文獻(xian)中報(bao)道的(de)方法無(wu)法有效(xiao)地制(zhi)造(zao)出既具(ju)有(you)毫米(mi)/厘米(mi)級尺(chi)寸(cun)又帶(dai)有亞微米(mi)級特(te)征(zheng)的(de)復雜玻璃(li)三(san)維結構。這壹限(xian)制(zhi)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)了該(gai)技(ji)術在微光(guang)學(xue)、微流(liu)控(kong)、微機械及(ji)微表(biao)面等先進(jin)領域(yu)上(shang)的(de)應用。

有鑒於(yu)此(ci)，香港(gang)理(li)工(gong)大學(xue)3D打(da)印中心溫燮(xie)文教授(shou)聯(lian)合(he)香港(gang)大學機械工(gong)程系陸洋(yang)教授(shou)，在此前(qian)工(gong)作(zuo)（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）基(ji)礎(chu)上更(geng)進(jin)壹步，提出了壹種(zhong)通(tong)過(guo)摩(mo)方(fang)精(jing)密面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）3D打(da)印技術制(zhi)備同(tong)時(shi)具(ju)有(you)亞微米(mi)特征(zheng)及(ji)毫(hao)米(mi)/厘米(mi)級尺(chi)寸(cun)的(de)熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃三(san)維構件的(de)方法。研究(jiu)者選(xuan)擇了聚乙二醇功能(neng)化(hua)的(de)二氧化(hua)矽(gui)納米(mi)顆粒（平(ping)均直徑~11.5 nm）膠(jiao)體(ti)和兩(liang)種(zhong)丙(bing)烯(xi)酸(suan)酯作(zuo)為聚合(he)物(wu)前(qian)驅(qu)體(ti)，保證二氧化(hua)矽(gui)納米(mi)顆粒良(liang)好的(de)相容性和分(fen)散(san)性。結合(he)面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印靈活地創建(jian)具(ju)有(you)復雜的(de)三(san)維亞微米(mi)結構的(de)高(gao)性能透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃，其分(fen)辨(bian)率(lv)、構建(jian)速度(du)及(ji)成(cheng)型幅面均超越(yue)了目前大多(duo)數(shu)其他3D打(da)印玻璃技(ji)術(shu)幾個(ge)數(shu)量級(ji)。

圖1：通過(guo)面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印所得(de)透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃。（a）面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印示意圖，呈現了打(da)印所得(de)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃制成(cheng)微縮維多(duo)利(li)亞港(gang)的(de)光學(xue)和(he)電(dian)子(zi)顯微鏡圖像。（b）復合(he)納米(mi)前驅(qu)體(ti)的(de)各(ge)化(hua)學(xue)組分(fen)。（c）面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微透(tou)鏡陣(zhen)列(lie)在高(gao)溫環(huan)境下展(zhan)示了出(chu)色的(de)穩(wen)定(ding)性。（d）4 × 6陣(zhen)列(lie)的(de)透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃蜂窩(wo)結(jie)構的(de)光學(xue)和(he)電(dian)子(zi)顯微鏡圖像，其中央的(de)細(xi)長(chang)懸(xuan)線(xian)具(ju)有(you)亞微米(mi)級別(bie)尺(chi)寸(cun)。（e）該(gai)方(fang)案(an)所制(zhi)備的(de)熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃在分(fen)辨(bian)率(lv)及(ji)成(cheng)型速度(du)上的(de)關系圖，及(ji)與(yu)已(yi)報(bao)道的(de)其他同(tong)類技術(shu)的(de)比較。

圖2：面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印所得(de)具(ju)有(you)多(duo)尺(chi)度(du)臨界(jie)特征(zheng)的(de)透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃多(duo)層級點陣(zhen)。（a）多(duo)層級點陣(zhen)結(jie)構；（b）多(duo)層級點陣(zhen)網絡；（c & d）單個(ge)多(duo)層級點陣(zhen)胞元(yuan)；（e）多(duo)層級架(jia)構；（f）基(ji)礎(chu)點陣(zhen)；（g & h）基(ji)礎(chu)桿件(jian)及(ji)其具(ju)備的(de)亞微米(mi)特征(zheng)。尺(chi)寸(cun)跨度(du)由mm逐(zhu)步減(jian)少到(dao)nm，接(jie)近(jin)5個(ge)數(shu)量級(ji)。

利(li)用面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印透(tou)明(ming)熔(rong)融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微透(tou)鏡陣(zhen)列(lie)，其具(ju)有(you)亞納(na)米(mi)級別(bie)的(de)表面粗糙(cao)度(du)（Ra≈0.633 nm）。同(tong)時(shi)，研(yan)究(jiu)者(zhe)展示了通(tong)過(guo)3D打(da)印制造(zao)的(de)熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微透(tou)鏡陣(zhen)列(lie)在成像(xiang)方(fang)面的(de)出色能力，具(ju)備優(you)良的(de)均勻性、清(qing)晰(xi)度(du)、對比度(du)和銳度(du)。

圖3：面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印的(de)具(ju)有(you)亞納(na)米(mi)級別(bie)表(biao)面粗糙(cao)度(du)的(de)熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微透(tou)鏡陣(zhen)列(lie)。單個(ge)透(tou)鏡的(de)高(gao)精(jing)度(du)光學(xue)顯微鏡圖像，方框區域(yu)顯示了白(bai)光幹(gan)涉(she)共(gong)聚焦(jiao)顯微鏡測試(shi)結果(guo)，沿(yan)XY方(fang)向(xiang)均能實(shi)現亞納(na)米(mi)級別(bie)表(biao)面粗糙(cao)度(du)，以(yi)此制(zhi)備高(gao)均勻性、高(gao)清(qing)晰(xi)度(du)、高(gao)對比度(du)和高(gao)銳度(du)的(de)微透(tou)鏡陣(zhen)列(lie)。

面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印技術賦(fu)予(yu)了熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微流(liu)體(ti)器(qi)件高(gao)精(jing)度(du)、簡化(hua)工(gong)藝、高(gao)直視(shi)性、大結(jie)構尺寸(cun)及(ji)復雜三(san)維設(she)計(ji)自(zi)由度(du)，進(jin)壹步展現(xian)出(chu)該(gai)器(qi)件出色的(de)液(ye)滴/流(liu)體操(cao)控(kong)能力。

圖片(pian)

圖4：面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)3D打(da)印具(ju)備超(chao)疏(shu)水(shui)性能的(de)仿生(sheng)三(san)維熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微表(biao)面結構，以(yi)及(ji)具(ju)有(you)Y型流道的(de)免鍵(jian)合(he)三(san)維熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微流(liu)控(kong)芯片(pian)。超(chao)疏(shu)水(shui)仿(fang)生(sheng)三(san)維熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微表(biao)面展現(xian)了(le)優(you)異(yi)的(de)液(ye)滴黏(nian)附能(neng)力（即“花瓣(ban)效(xiao)應"），即使(shi)在翻(fan)轉(zhuan)180°後仍能(neng)牢(lao)固鎖住液(ye)滴；在免鍵(jian)合(he)Y型流(liu)道三(san)維熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃微流(liu)控(kong)芯片(pian)，由(you)於(yu)表(biao)面張力占主(zhu)導，兩種(zhong)流(liu)體(ti)呈(cheng)現(xian)了不互溶的(de)“層流"現象(xiang)。

該(gai)工(gong)作(zuo)進(jin)行(xing)於(yu)香(xiang)港(gang)城(cheng)市大(da)學深圳研(yan)究(jiu)院(yuan)納(na)米(mi)制造(zao)實驗室(shi)，相關成(cheng)果(guo)以(yi)“One-photon Three-dimensional Printed Fused Silica Glass with Sub-micron Features"為題發(fa)表(biao)於國際期(qi)刊《自然(ran)·通(tong)訊》（Nature Communications）上(shang)，課(ke)題組(zu)2020級(ji)博士研究生黎子(zi)永為該(gai)論(lun)文第(di)壹(yi)作(zuo)者。

在該(gai)研(yan)究中，熔融(rong)石(shi)英玻(bo)璃三(san)維微納(na)樣(yang)品(pin)由(you)摩(mo)方(fang)精(jing)密2 μm精(jing)度(du)的(de)nanoArch® P130超高(gao)精(jing)密3D打(da)印系統制(zhi)備。