Impresión 3D de vidrio sin sinterizar

La impresión de estructuras micro y nanométricas de vidrio de cuarzo de dióxido de silicio puro abre muchas aplicaciones nuevas en tecnologías ópticas, fotónicas y de semiconductores. Hasta ahora, los procesos se han basado en la sinterización convencional.

Las temperaturas requeridas para sinterizar nanopartículas de dióxido de silicio superan los 1100 °C, lo que es demasiado alto para la deposición directa en chips semiconductores. Un equipo dirigido por el Dr. Jens Bauer del Instituto KIT de Nanotecnología (INT) ha desarrollado un nuevo proceso para producir vidrio de cuarzo transparente de alta resolución con excelentes propiedades mecánicas a temperaturas mucho más bajas.

Resina de polímero híbrido orgánico-inorgánico como materia prima

Bauer, que dirige el Emmy Noether Junior Research Group “Nanoarchitecked Metamaterials” en KIT, y sus colegas de la Universidad de California, Irvine y Edwards Lifesciences, Irvine, presentan un proceso en Ciencia.

Utilizan una resina de polímero híbrido orgánico-inorgánico como material de alimentación. Esta resina líquida consiste en las denominadas partículas de silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), que son pequeñas partículas de dióxido de silicio en forma de jaula dotadas de grupos funcionales orgánicos.

Una vez que el material se reticula mediante impresión 3D para formar una nanoestructura 3D, se calienta a 650 °C en el aire para eliminar los componentes orgánicos. Al mismo tiempo, las jaulas POSS inorgánicas se combinan y forman una microestructura o nanoestructura continua de vidrio de cuarzo. La temperatura requerida para esto es solo la mitad de la temperatura necesaria para los procesos basados ​​en la sinterización de nanopartículas.

Las estructuras permanecen estables incluso en condiciones químicas y térmicas difíciles

“La temperatura más baja permite que las estructuras de vidrio de grado óptico de alta resistencia se impriman libremente con la resolución requerida para la nanofotónica de luz visible directamente en chips semiconductores”, explica Bauer. Además de una excelente calidad óptica, el vidrio de cuarzo producido tiene excelentes propiedades mecánicas y es fácil de procesar.

Investigadores de Karlsruhe e Irvine utilizaron resina POSS para imprimir una variedad de nanoestructuras, incluidos cristales fotónicos independientes de 97 nm, microlentes parabólicas y una microlente de múltiples lentes con elementos nanoestructurados. “Nuestro proceso produce estructuras que se mantienen estables incluso en condiciones químicas o térmicas adversas”, dice Bauer.