3D-gedruckte Glaskeramik im Nanometerbereich

Forschern der Universität Vilnius in Litauen ist es gelungen, Glaskeramiken im Nanometerbereich zu drucken. Diese amorphen Materialien, die stark und potenziell fluoreszierend oder supraleitend sind, und ihre Herstellung durch additive Fertigung ermöglichen die Herstellung von maßgeschneiderten Quantenpunkten und erschließen neue Möglichkeiten in der Herstellung von Mikrobauteilen. Beispiele für solche Vorrichtungen umfassen Mikroroboter oder mikrofluidische Chips, die in der medizinischen Forschung verwendet werden.

Für dieses Experiment verwendeten die Forscher die Zwei-Photonen-Lithographie-Technologie. Die Methode zur 3D-Herstellung im photonischen Maßstab verwendet einen ultraschnellen gepulsten Femtosekundenlaser, um ein lichtreaktives Material präzise zu härten. Eine kommerzielle Methode dieser Technologie wird vom deutschen Nanoscribe im Photonic Professional GT-System vermarktet, das System der Universität Vilnius ist jedoch als “ultrafast laser 3D lithography” oder “3DLL” bekannt.

Das für die Untersuchung ausgewählte Material ist Glaskeramik oder “Sol-Gel”, resistent gegen SZ2080, ein modifiziertes Kieselgel und Photopolymer, das häufig für medizinische Anwendungen erforscht wird und zur Herstellung von UV-Schutzbeschichtungen oder Quantenpunkten verwendet wird.

Ein mehrstufiger Prozess, ähnlich dem Sintern von Grünteilen, SZ2080, wird als erstes 3D in eine gewünschte Form gedruckt, die Hunderte von Nanometern groß ist. Beispiele in dieser Studie enthalten eine Mikroskulptur von Vytis, das Wappen von Litauen; ein Würfel; photonische Kristallstrukturen und hexagonale Gerüste.

Nach dem Druck werden die Teile bei Temperaturen von bis zu 1500 °C gesintert. Bei diesem Verfahren werden 80% des Materialinhalts abgebaut, wodurch das Teil um 40 – 50% schrumpft und eine noch höhere Auflösung als das bedruckte Teil ergibt.

Der Sinterprozess erzeugt auch die glaskeramische Kristallstruktur des Objekts, was zu überlegenen mechanischen und chemischen Eigenschaften führt.

Wie die Forschung sagt, “Die Siliziumdioxid- und Zirkoniumdioxid-Vorstufen, die in dem Resist in der ~20 Masse-% der anorganischen Komponente vorhanden sind, werden zum Austreten von kristallinen Phasen aus Siliziumdioxid und Zirkoniumdioxid in dem fertigen gesinterten Keramikmaterial führen.”

Durch die Anpassung dieses Prozesses können die Forscher Freiform-3D-Strukturen mit einer Komplexität erstellen, die mit anderen Mikrofabrikationsmethoden nicht möglich ist. Darüber hinaus werden die Strukturen, wie in den Schlussfolgerungen dieser Studie festgestellt, “neue Eigenschaften erlangen, insbesondere Widerstandsfähigkeit in rauen physikalischen und chemischen Umgebungen.”

Darüber hinaus “Da nanoskalige Materialien Präzipitation initiieren können” (zur Herstellung von Pigmenten und zur Durchführung der Wasserentsalzung unter anderem) “und dem Wachstum von Nanokristalliten” (zB Quantenpunkte) “wird ein weites Feld für Experimentierhorizonte durch das vorgestellte erweitert Modalität der additiven Fertigung. ”

Die Arbeit “Additive-Manufacturing of 3D Glass-Ceramics down to Nanoscale Resolution” ist über ResearchGate frei zugänglich. Der Artikel wurde gemeinsam von Darius Gailevičius, Viktorija Padolskytė, Lina Mikoliūnaitė, Simas Šakirzanova, Saulius Juodkazis und Mangirdas Malinauskas verfasst.