石英玻璃是一種應(yīng)用于要求長期化學(xué)和機械穩(wěn)定性以及優(yōu)異光學(xué)性能環(huán)境的優(yōu)選材料，微流控芯片就是這種材料的應(yīng)用方向之一。但也正是由于石英玻璃材料的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及機械硬度高，一直以來在石英玻璃種制造出微型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)是充滿挑戰(zhàn)的。

　　發(fā)表于Nature Communications期刊的研究論文“Fabrication of arbitrary three-dimensional suspended hollow microstructures in transparent fused silica glass”表明，借助微加工3D打印技術(shù)能夠克服這一難點，生成高精度的石英玻璃中空微結(jié)構(gòu)。

石英玻璃中的三維微流體混合器結(jié)構(gòu)

來源：Nature

　　熔融石英玻璃中的微結(jié)構(gòu)通常通過濕法化學(xué)或干法蝕刻工藝制造。更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以用精密玻璃成形法，溶膠-凝膠或復(fù)制粉末爆破來制造。然而，所有這些技術(shù)僅能夠制造開放的二維通道結(jié)構(gòu)，需要與平面基板結(jié)合才能夠制造簡單的懸浮中空微結(jié)構(gòu)（例如，微流體通道）。

　　根據(jù)研究論文，通過常用工藝難以在熔融石英玻璃內(nèi)部形成自由形狀的中空結(jié)構(gòu)。使用飛秒激光寫入以及用諸如氫氟酸（HF）之類的侵蝕性化學(xué)物質(zhì)連續(xù)蝕刻照射區(qū)域是其中一種方法，但該方法在制造具有很少入口的長通道結(jié)構(gòu)時，容易產(chǎn)生出現(xiàn)不均勻的情況，在制造錐形通道結(jié)構(gòu)時，易導(dǎo)致朝向通道入口處的尺寸更寬。另外，溝道長度也會受到蝕刻工藝的限制，因為HF蝕刻顯示蝕刻速度隨溝道長度而減小，并且碎屑可快速阻擋溝道。

　　為了克服這些問題，科研領(lǐng)域探索了不同的技術(shù)，但這些技術(shù)只適合制造簡單的通道幾何形狀。如為了克服對侵蝕性蝕刻解決方案的需求，有的科研人員開發(fā)了液體輔助消融的飛秒激光寫入，這種技術(shù)產(chǎn)生具有顯著表面粗糙度成分，因此需要通過后處理才能夠得到滿足光學(xué)質(zhì)量的表面。

　　研究論文描述了一種能夠生成石英玻璃復(fù)雜3D微結(jié)構(gòu)的工藝，具體來說，科研人員使用Nanoscribe雙光子3D打印技術(shù)制造了生成石英玻璃微流體通道的犧牲模板，微型的3D打印犧牲模板采用聚合物材料制造。

　　科研人員將該3D打印微結(jié)構(gòu)澆鑄在液體納米復(fù)合玻璃材料中，隨后用UV光在聚合物模板的頂部進(jìn)行照光固化。然后對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，將納米復(fù)合材料轉(zhuǎn)變成熔融石英玻璃，并從內(nèi)部熔化3D打印模板，在此過程中，溫度高達(dá)1300攝氏度，制造出帶有中空復(fù)雜微通道的石英玻璃結(jié)構(gòu)。

　　在對這一工藝進(jìn)行研究的過程中，研究團(tuán)隊成功的制造出直徑小至7微米的通道。通過石英玻璃混合器等精密測試部件，研究團(tuán)隊展示了通過這種結(jié)合微型3D打印技術(shù)的工藝在制造復(fù)雜玻璃產(chǎn)品領(lǐng)域的可行性，也為玻璃材料的微細(xì)加工提供了可行性。

　　根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，科研團(tuán)隊所使用的Nanoscribe雙光子光刻3D打印技術(shù)已從科學(xué)研究應(yīng)用走向工業(yè)市場，近期他們推出了面向工業(yè)微加工的自動化設(shè)備Quantum X，該設(shè)備小XY特征尺寸為160納米，用于生產(chǎn)折射和衍射微光學(xué)原型、圓晶規(guī)模制造以及聚合物母?？焖僦圃?。