Impresión Tridimensional de Vidrio sin Sinterizar

La impresión de estructuras de vidrio de cuarzo a escala micro y nanométrica a partir de dióxido de silicio puro abre muchas aplicaciones nuevas en óptica, fotónica y tecnologías de semiconductores. Hasta ahora los procesos se basaban en la sinterización convencional. Las temperaturas necesarias para sinterizar nanopartículas de dióxido de silicio son superiores a 1.100 °C, lo que es demasiado para su deposición directa sobre chips semiconductores. Un equipo dirigido por el Dr. Jens Bauer del Instituto de Nanotecnología (INT) de KITahora ha desarrollado un nuevo procesopara producir vidrio de cuarzo transparente con alta resolución y excelentes propiedades mecánicas a temperaturas mucho más bajas.

Bauer, que dirige el grupo de investigación Emmy Noether Junior “Metamateriales de nanoarquitectura” en KIT, y sus colegas de la Universidad de California, Irvine y la empresa Edwards Lifesciences en Irvine presentan el proceso en Science. Utilizan una resina polimérica híbrida orgánica-inorgánica como materia prima. Esta resina líquida está formada por las llamadas moléculas oligoméricas poliédricas de silsesquioxano (POSS), que son pequeñas moléculas de dióxido de silicio en forma de jaula equipadas con grupos funcionales orgánicos.

Después de reticular el material mediante impresión 3D para formar una nanoestructura 3D, se calienta a 650 °C en aire para eliminar los componentes orgánicos. Al mismo tiempo, las jaulas inorgánicas de POSS se fusionan y forman una microestructura o nanoestructura continua de vidrio de cuarzo. La temperatura necesaria para ello es sólo la mitad de la temperatura necesaria para los procesos basados ​​en la sinterización de nanopartículas.

"La temperatura más baja permite la impresión de forma libre de estructuras de vidrio robustas de grado óptico con la resolución necesaria 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 se puede procesar fácilmente.

Los investigadores de Karlsruhe e Irvine utilizaron la resina POSS para imprimir varias nanoestructuras, incluidos cristales fotónicos de haces independientes de 97 nm de ancho, microlentes parabólicas y un microobjetivo de múltiples lentes con elementos nanoestructurados. "Nuestro proceso produce estructuras que permanecen estables incluso en condiciones químicas o térmicas adversas", dice Bauer.

"El grupo INT, dirigido por Jens Bauer, está asociado al grupo de excelencia 3DMM2O", afirma el profesor Oliver Kraft, vicepresidente de investigación de KIT. "Los resultados de la investigación ahora publicados en Science son sólo un ejemplo de cómo los investigadores en etapa inicial reciben apoyo exitoso en el grupo". 3D Matter Made to Order, o 3DMM2O para abreviar, es un grupo de excelencia conjunto de KIT y la Universidad de Heidelberg. Persigue un enfoque altamente interdisciplinario combinando ciencias naturales e ingeniería. Su objetivo es llevar la fabricación aditiva en 3D al siguiente nivel: desde el nivel de las moléculas hasta las dimensiones macroscópicas.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web del Instituto Tecnológico de Karlsruhe.