KTH Institut royal de technologie
Une équipe de scientifiques suédois a mis au point une nouvelle technique d’impression 3D pour le verre de silice qui rationalise un processus complexe à forte consommation d’énergie. Comme preuve de concept, ils ont imprimé en 3D le plus petit verre à vin du monde (fait de verre réel) avec un bord plus petit que la largeur d’un cheveu humain, ainsi qu’un résonateur optique pour les systèmes de télécommunications à fibre optique – l’une des nombreuses applications potentielles pour les composants en verre de silice imprimés en 3D. Ils ont décrit leur nouvelle méthode dans un article récent de la revue Nature Communications.
« L’épine dorsale d’Internet est basée sur des fibres optiques en verre », a déclaré le co-auteur Kristinn Gylfason du KTH Royal Institute of Technology à Stockholm. « Dans ces systèmes, toutes sortes de filtres et de coupleurs sont nécessaires qui peuvent désormais être 3D imprimé par notre technique. Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités.
Le verre de silice (c’est-à-dire le dioxyde de silicium amorphe) est un matériau qui reste difficile pour l’impression 3D, en particulier à l’échelle microscopique, selon les auteurs, bien que plusieurs méthodes cherchent à relever ce défi, notamment la stéréolithographie, l’écriture directe à l’encre et le traitement numérique de la lumière. Même ceux-ci n’ont pu atteindre que des tailles de caractéristiques de l’ordre de plusieurs dizaines de micromètres, à l’exception d’une étude de 2021 qui a rapporté une résolution à l’échelle nanométrique.
Mais tous utilisent des procédés sol-gel impliquant différents mélanges organiques chargés de nanoparticules de silice. Ainsi, les structures imprimées finales sont des composites avec de nombreux matériaux organiques, dépourvus des propriétés les plus recherchées du verre de silice (c’est-à-dire la stabilité thermique et chimique, la dureté, la transparence optique sur une large gamme de longueurs d’onde). Il nécessite une étape de frittage supplémentaire à des températures élevées d’environ 1 200 ° Celsius (2 192 ° F) pendant plusieurs heures pour éliminer les résidus organiques et obtenir ces propriétés. Cette étape supplémentaire gourmande en énergie limite considérablement les applications potentielles puisque seuls les matériaux de substrat capables de résister à des températures aussi élevées peuvent être utilisés. Certaines approches nécessitent également l’assemblage de structures imprimées en 3D dans une forme finale, ce qui est difficile à l’échelle du micromètre.
Lors du développement de leur technique alternative pour l’impression 3D du verre de silice, Gylfason et al. tourné vers l’hydrogène silsesquioxane (HSQ), un matériau inorganique similaire à la silice et qui peut être modelé par des faisceaux d’électrons, des faisceaux d’ions et certaines longueurs d’onde de lumière UV. Un avantage majeur est que leur méthode ne repose pas sur des composés organiques pour servir de photoinitiateurs ou de liants qui restent sur le substrat, comme avec la stéréolithographie ou l’écriture directe à l’encre. Au lieu de cela, leur méthode repose sur la réticulation directe du HSQ inorganique.
Le processus comporte trois étapes principales. Tout d’abord, ils ont coulé du HSQ dissous dans des solvants organiques sur un substrat. Une fois que le HSQ sèche, ils tracent la forme 3D souhaitée à l’aide d’un faisceau laser sous-picoseconde focalisé. Enfin, tout HSQ non exposé est dissous avec l’application pratique d’une solution d’hydroxyde de potassium. La spectroscopie Raman des microstructures imprimées a montré toutes les caractéristiques attendues pour le verre de silice.
Cependant, il y avait aussi des traces d’hydrogène et de carbone résiduels. Pour les applications nécessitant un verre de silice plus pur, les matières organiques résiduelles peuvent être éliminées en recuit les structures à 900 ° Celsius (1 652 ° F) – une étape supplémentaire, certes, mais à une température beaucoup plus basse que l’étape de frittage supplémentaire habituelle. Après cela, le spectre des structures correspondait à celui d’un substrat en verre de silice fondue commercial. Bien que le recuit des microstructures imprimées en 3D puisse les faire rétrécir ou se déformer, les auteurs ont découvert que le rétrécissement maximal de leurs structures en verre de silice était d’environ 6 %, contre 16 % à 56 % pour les objets en verre fabriqués à l’aide de stéréolithographie et de méthodes d’écriture directe à l’encre. .
En plus du minuscule verre à vin et du résonateur optique de preuve de concept, les auteurs ont imprimé une petite version du logo KTH, un porte-à-faux et une spirale conique, ainsi qu’une pointe de fibre optique en verre de silice. Ils pensent que leur méthode pourrait également être utilisée pour fabriquer des lentilles personnalisées pour les dispositifs médicaux et les micro-robots. Le revêtement des microstructures imprimées en 3D avec des nanodiamants ou des nanoparticules ferreuses pourrait permettre une personnalisation supplémentaire des propriétés pour l’intégration de la photonique quantique hybride ou supprimer magnétiquement le contrôle du mouvement des structures, respectivement.
« Les préoccupations lors de l’intégration de méthodes d’impression 3D sont généralement différentes pour différentes applications », a déclaré le co-auteur Po-Han Huang, étudiant diplômé à KTH. « Même si l’optimisation de notre méthode est toujours nécessaire pour différentes applications, nous pensons que notre méthode présente une percée importante et nécessaire pour l’impression 3D sur verre à utiliser dans des scénarios pratiques.
DOI : Nature Communications, 2023. 10.1038/s41467-023-38996-3 (À propos des DOI).