Німецькі хіміки створили полімер для 3D-друку скляних виробів

Ріс. 1. Надрукований новими «скляними чорнилом» крендель зі скла. Найтонше місце цієї деталі — 2 міліметри, довжина «кренделька» становить 2,5 см, і далеко не кожному професійному склодуву вдасться виготовити такий «хлібобулочний виріб» з першого разу. Фото з сайту cen.acs.org

Хіміки з Технологічного інституту Карлсруе розробили «чорнила» для 3D-принтера, що дозволяють друкувати вироби з чистого і прозорого кварцового скла з досить хорошою роздільною здатністю в десятки мікрометрів. Нова технологія дозволить налагодити виробництво кварцового лабораторного мікропосуду та елементів оптичних схем, а також створювати індивідуальні та неповторні скляні вироби, які складно або навіть неможливо виготовити за допомогою звичайних технологій склодувного виробництва.

3D-принтер використовує метод післяйової побудови реального об’єкта за його цифровою тривимірною моделлю. Технологія тривимірного друку швидко завоювала популярність, але донедавна за допомогою 3D-принтерів можна було отримувати якісні об’єкти тільки з полімерів, кераміки і металів, хоча скло — теж дуже корисний і затребуваний матеріал: воно є хорошим ізолятором, прозоро, стійко до впливу багатьох хімічних речовин і температури.

Правда, скло складно обробляти, навіть якщо мова не йде про процеси тривимірної печатки. Так, у більшості технологій необхідно, щоб виріб піддавали хімічному протравлюванню або механічному поліруванню. Через складнощі в процесі обробки скла багато виробників мобільних пристроїв воліють виготовляти оптичні елементи камер мобільних телефонів з полімерів, хоча вони значно поступаються склу за оптичними властивостями: наприклад, вироби з полімерів (на відміну від скла) змінюють свою структуру, що може призводити до помутніння полімерних лінз.

Основна проблема в роботі зі склом полягає в тому, що для розм’якшення його до стану, в якому можна було б змінювати його форму, необхідно нагріти його до температури не менше 1000 ° C. Раніше вже робилися спроби тривимірного друку виробів зі скла, проте подача в робочі блоки пристрою для тривимірного друку скляних волокон або частинок оксиду кремнію з подальшим їх спіканням хоч і дозволяла отримувати скляні деталі, але їх післяйна роздільна здатність становила міліметри, їх поверхня була груба, що однозначно не дозволяло застосовувати техніку тривимірного друку для виготовлення компонентів оптичних схем.

Для підвищення точності тривимірного друку скляних виробів фахівці з хімії полімерів з Технологічного інституту Карлсруе під керівництвом Бастіана Раппа (Bastian Rapp) розробили і отримали композитний матеріал, який можна назвати «рідким склом». Композит зі схожим складом вже застосовувався дослідниками з Карлсруе для виготовлення скляних об’єктів методом лиття. Він являє собою суміш наночастинок оксиду кремнію діаметром 40 нм, диспергованих у гідроксиетилметакрилаті (Hydroxyethylmethacrylate). Гідроксиетилметакрилат — це мономер, який під впливом ультрафіолетового випромінювання вступає в реакцію полімеризації, формуючи твердий полімер (рис. 2).

Ріс. 2. Полімерізація гідроксиетилметакрилату. Малюнок Аркадія Курамшина

Як спосіб тривимірного друку була обрана лазерна стереолітографія: попередньо побудований на комп’ютері тривимірний об’єкт вирощується з рідкої композиції послідовними тонкими шарами, що затвердівають у процесі хімічної реакції. Щоб адаптувати склад своїх «скляних чорнил» для 3D-друку, дослідникам довелося видалити з них розчинник, який не заважає виробництву скляних об’єктів методом лиття, але в методах, заснованих на управлінні хімічної реакції за допомогою випромінювання, знижує ефективність фотополімеризації. Гідроксиетилметакрилат, що входить до складу «скляних чорнил», також був розбавлений продуктами його тримеризації. Введення до складу композитного матеріалу речовин з високою молекулярною масою підвищувало його в’язкість і давало йому можливість витікати з робочих елементів 3D-принтера зі швидкістю, оптимальною для формування шарів потрібної товщини.

Ріс. 3. Ще одна деталь зі скла, виготовлена за допомогою пристрою тривимірного друку з нових «чорнил». Фотографія показує, що надрукована на 3D-принтері скляна деталь не руйнується при впливі полум’я пальника з температурою 800 ° C. Фото з обговорюваної статті в Nature

Оскільки основний компонент матеріалу для друку — це суміш мономерів і тримерів гідроксиетилметакрилату (близько 60% за масою), початкова формівка виробу за допомогою 3D-принтера проводиться точно таким же чином, як відбувається тривимірний друк виробів з полімеру. Щоб отримати скляну деталь, об’єкт, отриманий в результаті друку, піддають дворазовому нагріву: перший потрібен для випалювання полімеру, а другий, який проводять при 1300 ° C, — для спікання наночастинок з оксиду кремнію. В результаті всіх операцій виходить виріб з чистого і прозорого кварцового скла.

За допомогою нової технології вчені надрукували ряд скляних об’єктів: систему з мікролінз, скляну платівку, всередині якої містяться канали мікрометрового діаметру і, звичайно ж, логотип Технологічного інституту Карлсруе (рис. 4). Дозвіл при друку становило десятки мікрометрів, проте Рапп стверджує, що використання цих же «чорнил» з більш точним 3D-принтером дозволить домогтися при друку дозволу 150-500 нм, що всього лише в рази перевищує розмір вмістяться у фотополімеризованій композиції наночастинок оксиду кремнію.

Ріс. 4. Приклад надрукованої за допомогою нового матеріалу тривимірної структури: логотип Технологічного інституту Карлсруе. Фото з обговорюваної статті в Nature

Прозорість надрукованих виробів з кварцового скла настільки висока, що розроблена технологія зможе значно спростити виготовлення фотонних кристалів. Фотонні кристали являють собою наноструктури з періодично змінюваними оптичними властивостями. Вони застосовуються в лазерній техніці, оптичних хвилеводах, а також перспективні для створення оптичних комп’ютерів. Новий спосіб друку скла може стати в нагоді і для створення скляних мікрокапілярних реакторів, що застосовуються в лабораторіях для безперервного поточного синтезу органічних речовин, включаючи і ті, які володіють фармакологічною активністю. Реактори такого типу з металу і полімерів, що застосовуються в даний час, виявляються марними, коли реакції проводяться при високих тисках або температурах.

В даний час Рапп з колегами працюють над зміною складу «скляних чорнил», щоб отримати можливість друкувати вироби не тільки з кварцового скла, але і з інших його видів, зокрема — з куленепробивного.

Джерело: Frederik Kotz, Karl Arnold, Werner Bauer, Dieter Schild, Nico Keller, Kai Sachsenheimer, Tobias M. Nargang, Christiane Richter, Dorothea Helmer & Bastian E. Rapp. Three-dimensional printing of transparent fused silica glass // Nature. 2017. V. 544. P. 337–339. DOI: 10.1038/nature22061.

Аркадій Курамшин