Un nuovo processo senza sinterizzazione produce strutture di vetro stampate in 3D di dimensioni nanometriche

Un nuovo processo di stampa 3D per il vetro di quarzo sviluppato presso l’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) sta facendo notizia. Il team del Dr. Jens Bauer è riuscito a produrre una varietà di strutture di vetro di quarzo su scala nanometrica mediante stampa 3D senza alcuna sinterizzazione. Le strutture in vetro di quarzo su scala nanometrica stampate in 3D possono anche essere stampate direttamente su chip semiconduttori. Questo nuovo processo di stampa 3D del vetro apre molte possibilità interessanti e lungimiranti per le applicazioni high-tech, la fotonica e la micro-ottica.

L’Università di Heidelberg e l’Istituto di Nanotecnologia (INT) del KIT si sono uniti per formare il Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order, il cui obiettivo è portare i processi di produzione additiva 3D a un livello superiore. Il Dr. Jens Bauer, responsabile dell’IFT, e il suo gruppo di ricerca, con la collaborazione di scienziati dell’Università della California Irvine e dell’azienda di tecnologia medica Edwards Lifesciences di Irvine, sono riusciti a compiere un passo decisivo verso il raggiungimento degli obiettivi del cluster di eccellenza.

Finora, le tecniche basate sulla sinterizzazione sono state predominanti nella stampa 3D del vetro di quarzo. Tuttavia, la sinterizzazione di nanoparticelle a base di silice richiede il riscaldamento del materiale a una temperatura di 1100 °C, troppo calda per la stampa di chip semiconduttori, ad esempio. Non è quindi possibile utilizzare le strutture in vetro di quarzo stampate nella tecnologia dei microsistemi e quindi non è possibile ottenere progressi tecnologici significativi. Il nuovo processo sviluppato dal gruppo di ricerca guidato dal Dr. Jens Bauer prevede invece temperature quasi dimezzate.

Strutture in vetro di quarzo stampate in 3D mediante litografia laser

Il team di ricerca ha creato una resina polimerica ibrida organica-inorganica sviluppata internamente che funge da materiale di base. Questa resina liquida è a sua volta composta da molecole di silsesquioxano poliedrico oligomerico (POSS). Si tratta di minuscole molecole di silice a forma cubica a cui sono attaccati gruppi funzionali organici. I ricercatori si sono quindi affidati alla litografia dip-in-laser (DiLL) per stampare in 3D parti in resina POSS, dall’alto verso il basso. Una volta formata la nanostruttura organico-inorganica stampata in 3D, questa viene riscaldata a 650°C in un forno tubolare. Questo processo consente di espellere i componenti organici della resina di base e legare i componenti inorganici della resina.

Nel frattempo, in fase di post-processing, gli oggetti stampati vengono posti in un bagno di isopropanolo-alcool per 20 minuti per sciogliere la resina non polimerizzata rimanente. Il risultato del processo è una struttura di silice fusa completa e continua su scala micro o nanometrica. Poiché la resina POSS è una rete molecolare di silicio e ossigeno, le strutture finali stampate sono in silice fusa pura, senza sinterizzazione e a basse temperature. “La temperatura più bassa consente di stampare in forma libera strutture di vetro robuste e di grado ottico con la risoluzione necessaria per la nanofotonica a luce visibile, direttamente su chip semiconduttori“, spiega Bauer.

Il processo è stato testato su diverse strutture complesse in vetro di quarzo stampate in 3D.

Il team ha testato il metodo su diversi oggetti e ha fabbricato varie strutture in scala nanometrica, tra cui cristalli fotonici di fasci liberi, microlenti paraboliche e un micro-obiettivo a più lenti con elementi nanostrutturati. Le strutture su scala nanometrica ottenute presentavano tutte vetri otticamente perfetti e trasparenti con un’alta risoluzione, oltre a eccellenti proprietà meccaniche. Le strutture in silice fusa quindi possono resistere a difficili condizioni chimiche e termiche e presentano un miglioramento della risoluzione di quattro volte, consentendo la nanofotonica a luce visibile. Questi risultati aprono numerose possibilità di applicazione e il processo che utilizza il materiale POSS stabilisce lo standard per la stampa micro e nano-3D di solidi inorganici. Per saperne di più, invitiamo a visitare il sito web del KIT: QUI.

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*Crediti foto di copertina: Dr.Jens Bauer, KIT