香港理工大学/HKU/CityU: サブミクロン精度の単一光子による溶融シリカガラスの 3D 印刷

出典: MF High Precision

透明溶融石英ガラスは現代社会に欠かせない重要な素材として、幅広い応用価値を持っています。その優れた特性により、日常生活、科学、産業において重要な役割を果たしています。溶融シリカガラスは光学特性、熱安定性、化学的耐久性に優れていますが、硬度が高く脆いため加工性に問題があります。現在、従来の溶融シリカガラスの微細構造製造プロセスは、複雑なプロセス、高コスト、材料の脆弱性など多くの課題に直面しており、複雑な3次元(3D)構造を実現するには依然として大きな困難が残っています。これは、高度な機能分野における新しいガラスマイクロナノデバイスの開発、効率的な製造、および応用に大きな課題をもたらします。

近年、3Dプリンティング/積層造形に代表される先進的な製造技術が、ガラス加工業界に新たな変化と大きな進歩をもたらしています。従来の減算法や等材料成形プロセスと比較して、これらの新興技術はデジタル設計と層ごとの蓄積を使用して、ガラス部品に極めて高い設計自由度と精密な成形機能を与える強力なツールとなり、あらゆる 3 次元溶融石英ガラス構造の製造を可能にします。ドイツのカールスルーエ工科大学の科学者たちは、ステレオリソグラフィー（SLA）技術を使用したガラスの製造において重要な進歩を遂げ（Nature、2017、544）、ガラス製品の品質、複雑さ、精度の大幅な向上に成功しました。この画期的な出来事は、3Dプリント技術による優れた光学特性を持つガラス構造物の製造が普及に一歩近づいたことを示しています。長年にわたり、世界中の研究者がガラス印刷技術の精度向上に取り組んできました。 2光子フェムト秒レーザー直接描画（TPP-DIW）技術を採用することで、マイクロナノサイズの3D解像度を持つガラス構造の効率的な形成を実現しました（Adv. Mater.、2021、33）。

しかし、ステレオリソグラフィーと2光子フェムト秒レーザー直接描画は、それぞれ約50μmと約100nmの成形解像度を達成し、マクロおよびナノスケールのガラス3次元部品の応用分野を大幅に拡大しましたが、精度と効率の点で3D印刷技術の間に固有の矛盾があるため、これまでの既存の文献で報告された方法では、ミリメートル/センチメートルレベルの寸法とサブミクロンレベルの特徴の両方を備えた複雑なガラス3次元構造を効果的に製造することはできません。この制限は、マイクロ光学、マイクロ流体工学、マイクロメカニクス、マイクロ表面などの先進分野におけるこの技術の応用に重大な影響を及ぼします。

こうした状況を踏まえ、香港理工大学3DプリントセンターのXiewen Wen教授と香港大学機械工学部のYang Lu教授は、これまでの研究（Nat. Mater., 2021, 20, 1506）に基づき、精密投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3Dプリント技術を用いて、サブミクロンの特徴とミリメートル/センチメートルの寸法を持つ溶融石英ガラスの3次元部品を作製する方法を提案した。研究者らは、シリカナノ粒子の良好な適合性と分散性を確保するために、ポリエチレングリコール官能化シリカナノ粒子（平均直径約11.5 nm）コロイドと2種類のアクリレートをポリマー前駆体として選択しました。表面投影型マイクロステレオリソグラフィー 3D 印刷と組み合わせることで、複雑な 3 次元サブミクロン構造を持つ高性能透明溶融石英ガラスを柔軟に作成できます。その解像度、構築速度、成形形式は、現在の他のほとんどの 3D 印刷ガラス技術よりも数桁高くなっています。

図 1: 表面投影マイクロステレオリソグラフィーによって 3D プリントされた透明な溶融シリカガラス。 (a) 表面投影マイクロステレオリソグラフィー 3D 印刷の概略図。印刷された溶融シリカガラスで作られたミニチュアビクトリアハーバーの光学顕微鏡画像と電子顕微鏡画像を示しています。 (b) 複合ナノ前駆体の化学成分。 (c) 表面投影マイクロステレオリソグラフィー 3D プリントされた透明な溶融シリカガラスマイクロレンズアレイは、高温環境でも優れた安定性を示します。 (d) 透明な石英ガラスのハニカム構造の 4 × 6 配列の光学顕微鏡画像と電子顕微鏡画像。中央の細長い垂れ下がったワイヤのサイズはサブミクロンです。（e）この方式で製造された溶融シリカガラスの解像度と成形速度の関係、および報告されている他の同様の技術との比較。

図 2: 表面投影マイクロステレオリソグラフィー 3D 印刷によって得られた、マルチスケールの重要な特徴を備えた透明な溶融シリカガラスのマルチレベル格子。 (a) 多段階格子構造、(b) 多段階格子ネットワーク、(c および d) 単一の多段階格子セル、(e) 多段階アーキテクチャ、(f) 基本格子、(g および h) 基本ロッドとそのサブミクロン特性。サイズの範囲は mm から nm まで徐々に減少し、約 5 桁になります。

透明な溶融シリカガラスマイクロレンズアレイは、サブナノメートルの表面粗さ（Ra≈0.633 nm）を持つ表面投影マイクロステレオリソグラフィーを使用して 3D プリントされました。同時に、研究者らは、3D プリントで製造された石英ガラスマイクロレンズアレイの優れた均一性、鮮明度、コントラスト、鮮明度を備えた優れたイメージング機能を実証しました。

図3: 表面投影マイクロステレオリソグラフィーによりサブナノメートルの表面粗さを持つ3Dプリントされた溶融シリカガラスマイクロレンズアレイ。単一レンズの高精度光学顕微鏡画像。四角で囲まれた領域は、白色光干渉共焦点顕微鏡のテスト結果を示しています。XY 方向に沿ってサブナノメートルの表面粗さを実現し、均一性、高解像度、コントラスト、シャープネスの高いマイクロレンズアレイを作成できます。

表面投影マイクロステレオリソグラフィー 3D 印刷技術により、溶融石英ガラスマイクロ流体デバイスは高精度、簡素化されたプロセス、高い直接視認性、大きな構造サイズ、複雑な 3 次元設計の自由度を実現し、デバイスの優れた液滴/流体操作能力をさらに実証します。

図 4: 超疎水性特性を持つバイオニック 3 次元溶融石英ガラスマイクロ表面構造と、Y 字型流路を持つ結合フリー 3 次元溶融石英ガラスマイクロ流体チップの表面投影マイクロステレオリソグラフィー 3D プリント。超疎水性バイオニック 3 次元溶融石英ガラスマイクロ表面は、優れた液滴付着能力 (つまり「花びら効果」) を示し、180° 反転した後でも液滴をしっかりと固定できます。結合のない Y チャネル 3 次元溶融石英ガラスマイクロ流体チップでは、支配的な表面張力により、2 つの流体が混ざらない「層流」現象を示します。

この研究は香港城市大学深圳研究所ナノファブリケーション研究室で行われた。関連結果は「サブミクロンの特徴を持つ一光子三次元印刷溶融シリカガラス」というタイトルで国際誌ネイチャーコミュニケーションズに掲載された。研究グループの2020年博士課程学生である李紫勇氏が論文の筆頭著者である。

この研究では、精度 2 μm の Mofang 社の nanoArch® P130 超高精度 3D 印刷システムを使用して、溶融シリカガラスの 3 次元マイクロナノサンプルを準備しました。当該技術は特許を申請しており、今後はモロッコ・プレシジョン社と連携して実用化を進める予定。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46929-x

香港理工大学/HKU/CityU: サブミクロン精度の単一光子による溶融シリカガラスの 3D 印刷

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