Produzione additiva di vetro-ceramica 3D con risoluzione su scala nanometrica

Molti metodi sono utilizzati per sviluppare materiali di stampa 3D e le fonti per nuovi materiali di stampa 3D sono apparentemente infinite. In uno studio dal titolo ” Produzione additiva di vetro-ceramica 3D fino alla risoluzione su scala nanometrica “, un gruppo di ricercatori utilizza una resina sol-gel per fabbricare una ceramica inorganica.

“La dimostrazione di una vera ceramica 3D inorganica con risoluzione su scala nanometrica utilizzando il precursore resist-sol-gel è dimostrata”. “Il metodo ha una capacità illimitata di forma libera, il controllo del fattore di riempimento e un elevato throughput di fabbricazione. Uno studio sistematico dell’approccio proposto basato sulla litografia 3D laser ultraveloce di resina sol-gel ibrida organica inorganica seguita da un trattamento termico che ha consentito la formazione di compositi inorganici amorfi e cristallini guidati dalla composizione della resina iniziale. ”
Un popolare sol-gel ibrido organico-inorganico resist SZ2080 è stato convertito in un materiale con proprietà completamente diverse attraverso la transizione da polimero a ceramica tramite sinterizzazione e ossidazione ad alta temperatura. La silice e l’ossido di zirconio nel materiale originale nel resistore nella parte inorganica del 20% del componente hanno portato all’emergere di fasi cristalline di silice e zirconio nel materiale ceramico sinterizzato finale. Inoltre, “un downscaling proporzionale dell’oggetto polimerizzato 3D avviene con un significativo cambiamento di volume del 40-50% dipendente dal protocollo di annealing senza distorsioni delle proporzioni del progetto 3D iniziale”, il che significa che possono essere formati schemi di nanoscala complessi.

Per l’esperimento, i ricercatori 3D hanno stampato diverse strutture, tra cui bulk-cube, micro-trame di woodpile 3D periodici, strutture a forma libera, micro-sculture, combinando elementi di bulk e nanometrici con curve complesse e reticoli esagonali macroscopici 3D che vengono solitamente usati come scaffold di cellule artificiali.

“Con l’aumentare della temperatura, la forma spettrale cambia e si evolve attraverso due distinti fattori di forma qualitativamente”, affermano i ricercatori. “L’esame ravvicinato dello spettro iniziale e il confronto con quello per T = 1000 ° C rivela che differiscono per le vibrazioni molecolari che possono essere associate ai legami carbonio-carbonio, carbonio-ossigeno, carbonio-idrogeno. Dopo il trattamento termico queste linee spettrali svaniscono. La nuova forma spettrale coincide con quella tipica del vetro di silice; abbiamo misurato un campione di controllo di silice fusa “.
La calcinazione ad alta temperatura delle strutture polimerizzate in 3D, creata mediante scrittura laser 3D nel polimero SZ2080 resist, ha prodotto vetro in silice o un materiale inorganico puro di ceramica policristallina. Una fase vetrosa ha dominato i campioni ricotti a temperature fino a 1200 ° C, mentre la formazione di silice policristallina e zirconia è stata osservata in campioni ricotti a temperature superiori a 1200ºC.

“Le modifiche presentate di SZ2080 resistenti alla silice e zirconia dal vetro alla ceramica policristallina mediante ricottura mostrano un principio della stampa di materiali 3D termicamente guidata che ha una risoluzione su scala nanometrica”, concludono i ricercatori. “Il ridimensionamento isotropico degli oggetti polimerizzati 3D iniziali con una frazione di volume di 0,5-a-1 semplifica la fabbricazione poiché non è necessario modificare le proporzioni del materiale iniziale poiché è ampiamente utilizzato nella nanolitografia DLW 3D di cristalli fotonici, micro- ottica e scaffold biomedici per eliminare l’effetto del restringimento anisotropico “.

Le proprietà meccaniche delle strutture finali, secondo i ricercatori, acquisiscono nuove caratteristiche, come la resilienza in ambienti fisici e chimici difficili.

“Poiché i materiali su scala nanometrica possono iniziare la precipitazione e guidare la crescita dei nano-cristalliti, un ampio campo per gli orizzonti di sperimentazione è ampliato dalla modalità di produzione additiva presentata”, aggiungono.
Gli autori del documento includono Darius Gailevicius, Viktorija Padolskyte, Lina Mikoliūnaite, Simas Šakirzanovas, Saulius Juodkazis e Mangirdas Malinauskas.

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