Impressão tridimensional de vidro sem sinterização

A impressão de estruturas de vidro de quartzo em escala micro e nanométrica a partir de dióxido de silício puro abre muitas novas aplicações em óptica, fotônica e tecnologias de semicondutores. Até agora, os processos têm sido baseados na sinterização convencional. As temperaturas necessárias para a sinterização de nanopartículas de dióxido de silício estão acima de 1.100°C, o que é muito quente para a deposição direta em chips semicondutores. Uma equipe liderada pelo Dr. Jens Bauer do Instituto de Nanotecnologia (INT) do KITdesenvolveu agora um novo processopara produzir vidro de quartzo transparente com alta resolução e excelentes propriedades mecânicas em temperaturas muito mais baixas.

Bauer, que dirige o Grupo de Pesquisa Emmy Noether Junior “Nanoarchitected Metamaterials” no KIT, e seus colegas da Universidade da Califórnia, Irvine e da empresa Edwards Lifesciences em Irvine apresentam o processo na Science. Eles usam uma resina polimérica híbrida orgânico-inorgânica como matéria-prima. Esta resina líquida consiste nas chamadas moléculas de silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), que são pequenas moléculas de dióxido de silício em forma de gaiola equipadas com grupos funcionais orgânicos.

Depois de reticular o material por meio de impressão 3D para formar uma nanoestrutura 3D, ele é aquecido a 650°C ao ar para remover os componentes orgânicos. Ao mesmo tempo, as gaiolas inorgânicas POSS coalescem e formam uma microestrutura ou nanoestrutura contínua de vidro de quartzo. A temperatura necessária para este fim é apenas metade da temperatura necessária para processos baseados na sinterização de nanopartículas.

“A temperatura mais baixa permite a impressão de forma livre de estruturas de vidro robustas de grau óptico com a resolução necessária para nanofotônica de luz visível, diretamente em chips semicondutores”, explica Bauer. Além de uma excelente qualidade óptica, o vidro de quartzo produzido possui excelentes propriedades mecânicas e pode ser facilmente processado.

Os pesquisadores de Karlsruhe e Irvine usaram a resina POSS para imprimir várias nanoestruturas, incluindo cristais fotônicos de feixes independentes de 97 nm de largura, microlentes parabólicas e uma microobjetiva multilente com elementos nanoestruturados. “Nosso processo produz estruturas que permanecem estáveis ​​mesmo sob condições químicas ou térmicas adversas”, diz Bauer.

“O grupo INT liderado por Jens Bauer está associado ao Cluster de Excelência 3DMM2O”, afirma o professor Oliver Kraft, vice-presidente de pesquisa do KIT. “Os resultados da investigação agora publicados na Science são apenas um exemplo de como os investigadores em fase inicial são apoiados com sucesso no cluster.” 3D Matter Made to Order, ou 3DMM2O, é um Cluster de Excelência conjunto do KIT e da Universidade de Heidelberg. Ele segue uma abordagem altamente interdisciplinar, combinando ciências naturais e engenharia. O objetivo é elevar a fabricação aditiva 3D para o próximo nível – desde o nível das moléculas até as dimensões macroscópicas.

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site do Karlsruhe Institute of Technology