科学者たちは石英ガラスの3Dプリントを使って世界最小のワイングラスとマイクロ光共振器を作った

2023年7月9日、Antarctic Bearは、スウェーデンの科学者チームが最近、複雑でエネルギーを大量に消費するプロセスを簡素化できる革新的な石英ガラス3Dプリント技術を開発したことを知りました。その可能性を実証するために、彼らはこの技術を使って、縁が人間の髪の毛よりも細い世界最小のワイングラスを印刷することに成功した。さらに、研究者らは、3D 印刷技術のもう一つの潜在的な応用分野である光ファイバー通信システムで使用するための光共振器を印刷しました。

△世界最小の石英ガラス製ワイングラス（左）とマイクロ光共振器（右）を走査型電子顕微鏡で撮影。ガラスの縁は人間の髪の毛の幅よりも小さい。スウェーデン・ストックホルムの王立工科大学（KTH）の研究共同著者であるクリスティン・ギルファソン氏は、「インターネットのバックボーンはガラス光ファイバー上に構築されています。これらのシステムでは、さまざまなフィルターとカップラーが必要ですが、現在では3Dプリント技術を使用してこれらのフィルターとカップラーを製造できるようになり、多くの新しい可能性が生まれています」と語った。

要約すると、石英ガラス 3D 印刷技術におけるこの画期的な進歩は、3D 印刷の分野に新たな発展の展望をもたらし、エネルギーや通信などの分野での革新の可能性をさらに広げることになります。

△関連研究成果は「サブミクロン解像度のシリカガラス3Dプリント」と題してネイチャーコミュニケーションズ誌に掲載された（ポータル）
技術的背景

著者らは、特にマイクロスケールでのシリカガラス（非晶質二酸化ケイ素）の 3D 印刷には課題が残っていると指摘しています。この問題に対処するために、ステレオリソグラフィー、直接インク書き込み、デジタル光処理などの技術を含むいくつかのアプローチが試みられてきましたが、最も高度な技術でさえ、数十マイクロメートルのオーダーの特徴サイズしか実現できません。現在使用されているゾルゲル法では、シリカナノ粒子を有機混合物に充填するため、最終的に印刷される構造は純粋な石英ガラスではなく複合材料となり、熱安定性、化学安定性、硬度、広い波長範囲にわたる光透過性など、望ましくない特性が生じます。

さらに、有機残留物を除去して所望の特性を達成するには高温焼結工程が必要であり、これはエネルギーを大量に消費する追加工程であり、潜在的な用途の範囲を著しく制限します。いくつかの方法では、3D プリントされた構造をミクロンスケールで組み立てる必要があり、これもまた特定の課題をもたらします。

△ レーザー直接書き込みによる石英ガラス微細構造の3Dプリント
新しい石英ガラス3Dプリント技術

この技術では、無機材料の代替として水素シルセスキオキサン（HSQ）を使用します。この無機材料は二酸化ケイ素に似ており、電子ビーム、イオンビーム、および特定の波長の紫外線を使用してパターン化できます。従来のステレオリソグラフィーや直接インク書き込み法とは異なり、このアプローチでは、光開始剤や結合剤として有機化合物に依存せず、架橋に無機 HSQ を直接使用します。

この方法は主に 3 つのステップから構成されます。まず、HSQを有機溶媒に溶かして基板上に滴下しました。 HSQ が乾燥したら、集束したサブピコ秒レーザービームを使用して、目的の 3D 形状を描画します。最後に、水酸化カリウム溶液を使用して、露出していない HSQ を溶解しました。ラマン分光法では、印刷された微細構造は石英ガラスの特性を備えていることが示されましたが、残留水素と炭素の痕跡がまだ残っていました。これらの有機物の残留物を除去し、より純粋な石英ガラスを得るために、構造をより低い温度（約 900 °C）でアニールする追加の手順を実行することができます。その後、構造のスペクトルは市販の石英ガラス基板のスペクトルと一致しました。

3D プリントされた微細構造をアニーリングすると、ある程度の収縮や変形が生じる可能性があることに注意することが重要ですが、研究者は、石英ガラス構造の最大収縮率は約 6% であるのに対し、ステレオリソグラフィーと直接インク書き込み方式を使用して作成されたガラス物体の最大収縮率は 16% ～ 56% であることを発見しました。この新しい石英ガラス 3D 印刷技術は、より複雑で高精度な石英ガラス微細構造を実現するための新たな可能性を提供し、幅広い応用の見通しを持っています。

△3Dプリント光学デモンストレーターとその特性評価
幅広い応用の可能性

研究チームは、概念実証用の小型ワイングラスと光共振器に加えて、新しい石英ガラス 3D 印刷技術を使用して、KTH ロゴ、カンチレバー、テーパーヘリックス、石英ガラス光ファイバーチップの小型バージョンも作成しました。彼らは、このアプローチは医療機器やマイクロロボットで使用するためのカスタムレンズの製造にも応用できると考えています。ハイブリッド量子フォトニック統合の特性は、3D プリントされた微細構造をナノダイヤモンドまたは鉄ナノ粒子でコーティングしたり、磁力によって構造の動きを制御したりすることで、さらにカスタマイズできます。

大学院生で共著者の Po-Han Huang 氏は次のように語っています。「3D 印刷方法を統合する場合、さまざまなアプリケーションに対する考慮事項は多くの場合異なります。さまざまなアプリケーションでは依然として方法の最適化が必要ですが、この画期的な進歩は、3D ガラス印刷を実際のシナリオに適用することの重要性と必要性を示していると考えています。」この新しい石英ガラス 3D 印刷技術の開発により、カスタマイズされた微細構造の製造に新たな可能性が開かれ、幅広い応用の見通しがあります。

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