美国研发出室温下3D打印透明玻璃的方法

美国加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家及其学术合作者已经展示了通过3D打印合成透明玻璃。这一发展可能最终导致改变激光器和其他包含光学元件器件的设计和结构。该合成过程在发表于《先进材料》的论文中有详细介绍。

其他研究机构已经表明玻璃的3D印刷是可能的，然而先前的演示涉及通过加热印刷头挤出熔融玻璃丝，或者使用激光来选择性地熔融和熔化玻璃粉末。LLNL的做法不依赖于印刷熔融玻璃，而是研制了由玻璃颗粒的浓缩悬浮液形成的定制油墨，其流动性高度可控，因此可以在室温下印刷。然后将印刷的元件进行合理设计的热处理，使其致密化并消除印刷过程的痕迹。最后，将处理后的元件进行光学质量抛光。研究人员表示，该方法提高了光学元件实现光学均匀性的可能性。

LLNL材料工程师杜阮毅先生说：“为了印刷高品质的光学元件，不应该看到任何毛孔和线条，它们必须是透明的。”在找到合适的材料组分之前，他们试验了大量的材料混合物。 “当我们得到一个普通的配方，我们可以调整它，使材料可以在印刷过程中相融合。大多数其他印刷玻璃的方法是首先融化玻璃，然后冷却下来，这可能会有残余应力导致开裂，而我们在室温下打印，不存在这个问题。”

LLNL的方法使用通过直接墨水书写过程挤出二氧化硅颗粒的浆料。印刷出的产品不透明，但干燥和热处理后变得透明。研究人员说，与使用熔融玻璃的3D打印不同，该方法在打印期间不需要高温，从而可实现更高的分辨率。

Nguyen说：“抛光复杂的或非球面的镜片是相当劳动密集型的，需要很多的技能，但抛光平面更容易。通过控制印刷组件的折射率，可以改变光线的弯曲度，从而使可以抛光的镜面平坦化。”

研究人员说，他们不是替代传统的光学器件，而是探索目前市场上不存在的化学成分梯度的新应用。设计新颖的光学元件替代现成的光学元件可以减小光学系统的尺寸，重量或成本。

研究人员说，该研究可以扩大光学工程师的设计空间，也可能产生光学器件之外的应用，包括具有复杂且先前无法获得的玻璃微流体器件。由于具有光学透明性、耐化学腐蚀性、机械性能以及具有调整其表面化学性能和官能度的能力，玻璃是微流体学的一种珍贵材料。然而，玻璃难以加工和蚀刻以实现几何形状复杂的微流体装置。玻璃的3D打印可能会改变这一现状，研究团队还展示了简单的微流控网络的3D打印。现在该研究团队已经证明印刷透明玻璃是可能的，研究人员正在通过改变玻璃的组成，实现制作高品质光学和渐变折射率透镜。下一个需要克服的障碍是渐变折射率（GRIN）光学元件，这将需要对过程进行更多的熟悉和控制。