Stampa 3D del vetro senza sinterizzazione

La stampa di strutture di vetro al quarzo su scala micro e nanometrica da biossido di silicio puro apre molte nuove applicazioni nell'ottica, nella fotonica e nelle tecnologie dei semiconduttori

Finora, i processi si sono basati sulla sinterizzazione convenzionale. Le temperature richieste per la sinterizzazione delle nanoparticelle di biossido di silicio sono superiori a 1100°C, che sono troppo alte per la deposizione diretta su chip semiconduttori. Un team guidato dal dottor Jens Bauer (1) dell'Institute of Nanotechnology (INT) di KIT ha ora sviluppato un nuovo processo per produrre vetro al quarzo trasparente con un'alta risoluzione ed eccellenti proprietà meccaniche a temperature molto più basse.

Resina polimerica ibrida organica-inorganica come materia prima

Il dottor Jens Bauer, che dirige l'Emmy Noether Junior Research Group “Nanoarchitected Metamaterials” presso KIT, e i suoi colleghi dell'University of California, Irvine e della società Edwards Lifesciences di Irvine, presentano il processo in Science (2). Usano una resina polimerica ibrida organica-inorganica come materiale di base. Questa resina liquida è costituita dalle cosiddette molecole di silsesquioxano oligomerico poliedrico (polyhedral oligomeric silsesquioxane - POSS), che sono piccole molecole di biossido di silicio simili a gabbie dotate di gruppi funzionali organici.

Dopo aver reticolato il materiale tramite stampa 3D per formare una nanostruttura 3D, viene riscaldato a 650°C in aria per rimuovere i componenti organici. Allo stesso tempo, le gabbie POSS inorganiche si uniscono e formano una microstruttura o nanostruttura continua di vetro di quarzo. La temperatura richiesta per questo scopo è solo la metà della temperatura necessaria per i processi basati sulla sinterizzazione di nanoparticelle.

Le strutture rimangono stabili anche in condizioni chimiche e termiche difficili

«La temperatura più bassa consente la stampa a forma libera di robuste strutture in vetro di grado ottico con la risoluzione necessaria per la nanofotonica a luce visibile, direttamente su chip semiconduttori», spiega Bauer. Oltre a un'eccellente qualità ottica, il vetro al quarzo prodotto ha eccellenti proprietà meccaniche e può essere lavorato facilmente.

I ricercatori di Karlsruhe e Irvine hanno utilizzato la resina POSS per stampare varie nanostrutture, tra cui cristalli fotonici di fasci larghi 97 nm indipendenti, microlenti paraboliche e un micro obiettivo multi-lente con elementi nanostrutturati. «Il nostro processo produce strutture che rimangono stabili anche in condizioni chimiche o termiche difficili», afferma Bauer.

«Il gruppo INT guidato da Jens Bauer è associato al cluster di eccellenza 3DMM2O», afferma il professor Oliver Kraft (3), vicepresidente della ricerca di KIT. «I risultati della ricerca ora pubblicati su Science sono solo un esempio di come i ricercatori in fase iniziale siano supportati con successo nel cluster». 3D Matter Made to Order, o 3DMM2O in breve, è un cluster di eccellenza congiunto di KIT e Università di Heidelberg. Persegue un approccio altamente interdisciplinare combinando scienze naturali e ingegneria. Ha lo scopo di portare la produzione additiva 3D al livello successivo, dal livello delle molecole fino alle dimensioni macroscopiche.

Essendo “The Research University in the Helmholtz Association”, KIT crea e trasmette conoscenza per la società e l'ambiente. L'obiettivo è quello di dare un contributo significativo alle sfide globali nei settori dell'energia, della mobilità e dell'informazione. Per questo, circa 9.800 dipendenti collaborano in un'ampia gamma di discipline nelle scienze naturali, nelle scienze ingegneristiche, nell'economia e nelle scienze umane e sociali. KIT prepara i suoi 22.300 studenti a compiti responsabili nella società, nell'industria e nella scienza offrendo programmi di studio basati sulla ricerca. Gli sforzi di innovazione di KIT costruiscono un ponte tra importanti scoperte scientifiche e la loro applicazione a beneficio della società, della prosperità economica e della conservazione delle nostre basi naturali della vita. KIT è una delle università tedesche di eccellenza.

Riferimenti:

(1) Jens Bauer

(2) A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass

(3) Oliver Kraft

Descrizione foto: Il nuovo processo a bassa temperatura consente la fabbricazione di una grande varietà di strutture in vetro di quarzo su scala nanometrica. - Credit: Dott. Jens Bauer, KIT.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nanomaterials: 3D Printing of Glass without Sintering