Nanoparticelle a base di sol-gel per la stampa 3D di vetro ottico

Germanio, silice e titanio conferiscono stabilità alla stampa 3D di vetri ottici

Nel recente pubblicato ” Nanoparticelle a base di sol-gel per la stampa 3D di vetro ottico “, Peter Palencia e Koroush Sasan del Lawrence Livermore National Laboratory stanno innovando ulteriormente nel campo dell’ottica ad alte prestazioni, usando la stampa 3D e la titanio-germanio-silice stampabile inchiostri a base di mangime colloidale in sol-gel.

Sebbene il vetro sia un materiale così prezioso per gli scienziati che tentano di trasmettere, rifrangere e riflettere la luce, Palencia e Sasan sottolineano le molte sfide nell’usarlo per lavori come il loro. Per questo studio, si sono concentrati su una formulazione ternaria di nanoparticelle di SiO2 con guscio centrale rivestite con un guscio di TiO2 e nanoparticelle di GeO2 che potrebbero essere utilizzate come materia prima per obiettivi di scrittura a inchiostro diretto (DIW).

“A livello atomico, l’indice di rifrazione del vetro può essere regolato su un determinato valore in base alla composizione degli ossidi all’interno del vetro. Ad esempio, l’ossido di sodio e l’ossido di titanio possono essere aggiunti al vetro per aumentare l’indice di rifrazione ”, spiegano gli autori. “Tuttavia, l’introduzione dei diversi droganti nel vetro crea potenziali problemi in quanto non solo cambiano drasticamente le proprietà ottiche del vetro, ma anche la sua stabilità termodinamica e la redditività generale per formare un vetro trasparente.”

Con i processi di produzione additiva, un nuovo e “approccio rivoluzionario” consente la creazione di una vasta gamma di materiali, sia che i ricercatori stiano usando le cellule nell’ingegneria dei tessuti sia che stampino con la resina.

“Sebbene questi metodi abbiano avuto successo nella produzione di altri materiali, non è stato sviluppato un metodo affidabile per stampare in 3D una lente ottica”, hanno affermato gli autori.

Le bolle sono una sfida tipica, causando stress, che provoca poi screpolature. Altri metodi non sono stati completamente studiati, come il vetro creato tramite inchiostro induribile con UV. In una precedente ricerca degli autori, tuttavia, usando la silice fumata, avevano avuto un certo successo, ma lo trovavano ancora “una miscela inconsistente che influenza tutti gli aspetti del vetro”. Inoltre tende a raggrupparsi insieme, creando pezzi troppo grandi per l’estrusione. Qui, i ricercatori hanno trovato una soluzione per evitare la silice fumata e sostituirla con nanoparticelle di silice a base di sol-gel. Può essere utilizzato per la scrittura diretta dell’inchiostro:

“La sua trasparenza, indice di rifrazione e coefficiente di espansione termica è paragonabile a una lente commerciale”, hanno affermato gli autori.

Gli autori hanno scoperto che per creare un vetro ottico funzionale, dovevano fare affidamento su una combinazione di germanio, silice e titanio. I droganti (ossido di germanio e ossido di titanio) hanno causato un aumento dell’indice di rifrazione, pur mantenendo funzionalità e prestazioni.

Contrariamente al precedente utilizzo degli inchiostri di silice, la nuova miscela promuoveva la stabilità, mentre durante il riscaldamento era necessario prestare molta attenzione per evitare crepe da stress.

La preparazione di GeO2-SiO2-TiO2 consiste in quattro fasi principali

“Variando la concentrazione di GeO2 e TiO2, abbiamo testato la vitalità del vetro in termini di trasparenza e stampabilità”, hanno concluso i ricercatori. “Il vetro era trasparente fino al 7 mol% di TiO2 e al 14 mol% di GeO2. Inoltre, una maggiore stabilità colloidale del vetro potrebbe essere vista attraverso il potenziale zeta delle nanoparticelle.

“Sebbene questi occhiali non siano completamente privi di crepe, una gamma di temperature è stata identificata come causa di crepe. Sono in corso esperimenti per ottimizzare il vetro ternario mediante l’aggiunta di tensioattivi e per ridurre le fessurazioni durante il trattamento termico. “

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