Stampa tridimensionale 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 nelle tecnologie dell'ottica, della fotonica e 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 1.100°C, che sono troppo calde per la deposizione diretta su chip semiconduttori. Un team guidato dal Dr. Jens Bauer del KIT's Institute of Nanotechnology (INT)ha ora sviluppato un nuovo processoper produrre vetro al quarzo trasparente con alta risoluzione ed eccellenti proprietà meccaniche a temperature molto più basse.

Bauer, che dirige l’Emmy Noether Junior Research Group “Nanoarchitected Metamaterials” presso KIT, e i suoi colleghi dell’Università della California, Irvine e della società Edwards Lifesciences di Irvine, presentano il processo su Science. Usano una resina polimerica ibrida organico-inorganica come materiale di base. Questa resina liquida è costituita dalle cosiddette molecole di silsesquiossano oligomerico poliedrico (POSS), che sono piccole molecole di biossido di silicio a forma di gabbia 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 necessaria a questo scopo è solo la metà di quella necessaria per i processi basati sulla sinterizzazione di nanoparticelle.

“La temperatura più bassa consente la stampa a forma libera di robuste strutture di vetro di grado ottico con la risoluzione necessaria per la nanofotonica della luce visibile, direttamente su chip semiconduttori”, spiega Bauer. Oltre ad 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 indipendenti, larghi 97 nm, microlenti paraboliche e un microobiettivo multilente 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 of Excellence 3DMM2O", afferma il professor Oliver Kraft, vicepresidente della ricerca di KIT. “I risultati della ricerca ora pubblicati su Science sono solo un esempio di come i ricercatori nella fase iniziale vengono 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.

- Il presente comunicato stampa è stato originariamente pubblicato sul sito web del Karlsruhe Institute of Technology