奈米材料：無需燒結的玻璃三維列印
作者：愛德華·費爾森塔爾 | 新聞評論員 | 紐約時報 | 2023 年 6 月 18 日
引言
科學家們一直在尋找新的方式和方法來改進材料的製造過程，這旨在推動科技和工程的發展。在這方面，卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）的 Jens Bauer 博士和他的團隊取得了重大突破。他們成功開發了一種無需燒結的玻璃三維列印技術，該方法在光學、光子學和半導體技術等領域開啟了許多新的應用。
傳統燒結技術的局限性
迄今為止，燒結是製造矽礦微奈米級石英玻璃結構的常見方法。然而由於燒結矽礦的溫度需要超過 1100°C，這對於直接在半導體晶片上進行沉積是遠遠太高的溫度。因此燒結技術的應用受到了一定的約束。
新的低溫列印過程
為理解決傳統燒結技術的約束，Bauer 博士和他的團隊發展了一種新的低溫玻璃三維列印過程。他們使用了一種混合有機-無機聚合物樹脂作為供料材料。這種液態樹脂由所謂的多面體寡聚矽羶（polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS）分子組成，這些分子是具有有機功能基團的小籠狀二氧化矽分子。透過將這種材料透過三維列印交聯形成三維奈米結構，然後在空氣中加熱至 650°C 以去除有機成分，同時無機的 POSS 籠狀結構凝聚形成連續的石英玻璃微奈米結構。這一過程所需的溫度僅為傳統燒結技術所需溫度的一半。
穩定的結構
這種新的低溫列印過程能夠免疫極端化學和熱條件下的穩定結構，從而產生出具有優異光學品質和出色機械效能的石英玻璃。Bauer 博士表示：“更低的溫度使我們能夠以所需的可見光奈米光子學解析度，直接在半導體晶片上自由形成堅固的光學級玻璃結構。”這種石英玻璃除了具有卓越的光學品質外，還易於加工。
應用前景
這項重大突破將為光學、光子學和半導體技術帶來許多創新應用。石英玻璃是一種廣泛應用於光學器件、光纖通訊和可能的量子技術的關鍵材料。傳統燒結技術的約束導致生產這些產品變得困難且成本高昂。然而透過這種新的低溫列印技術能夠直接在半導體晶片上製造光學級玻璃結構，將大大簡化製造過程並降低成本。
結語
Bauer 博士和他的團隊的研究突破為玻璃製造帶來了革命性的變革。這種無需燒結的玻璃三維列印技術不僅具有廣泛的應用前景，而且能夠改變光學器件和半導體技術的發展方向。隨著這項技術的進一步研究和改進，我們有望見證更多創新和突破，為科學和技術的不斷進步做出貢獻。
相關資訊：
J. Bauer et al, A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq3037
