Nanomateriales: Impresión 3D de vidrio sin sinterización
El proceso funciona a temperaturas relativamente bajas y alcanza la máxima resolución para su uso en óptica y semiconductores
Un nuevo proceso desarrollado en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) permite imprimir estructuras de cristal de cuarzo a escala nanométrica directamente sobre chips semiconductores. Se utiliza una resina polimérica híbrida orgánico-inorgánica como materia prima para la impresión 3D de dióxido de silicio. Dado que el proceso funciona sin sinterización, las temperaturas necesarias son considerablemente más bajas. Al mismo tiempo, el aumento de la resolución permite la nanofotónica de luz visible. Los investigadores publican en Science.
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 han basado en la sinterización convencional. Las temperaturas necesarias para sinterizar nanopartículas de dióxido de silicio superan los 1.100 °C, una temperatura demasiado elevada para la deposición directa en chips semiconductores. Un equipo dirigido por el Dr. Jens Bauer, del Instituto de Nanotecnología (INT) del KIT, ha desarrollado ahora un nuevo proceso para producir vidrio de cuarzo transparente de alta resolución y excelentes propiedades mecánicas a temperaturas mucho más bajas.
Resina polimérica híbrida orgánico-inorgánica como materia prima
Bauer, que dirige el grupo de investigación Emmy Noether Junior "Metamateriales nanoarquitectados" en el KIT, y sus colegas de la Universidad de California en Irvine y la empresa Edwards Lifesciences de Irvine presentan el proceso en Science. Utilizan una resina polimérica híbrida orgánico-inorgánica como materia prima. Esta resina líquida está formada por moléculas de silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), que son pequeñas moléculas de dióxido de silicio en forma de jaula equipadas con grupos funcionales orgánicos.
Tras reticular el material mediante impresión 3D para formar una nanoestructura tridimensional, 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 requerida para ello es sólo la mitad de la necesaria para los procesos basados en la sinterización de nanopartículas.
Las estructuras permanecen estables incluso en condiciones químicas y térmicas difíciles
"La temperatura más baja permite la impresión libre de estructuras de vidrio robustas y de calidad óptica con la resolución necesaria para la nanofotónica de luz visible, directamente sobre chips semiconductores", explica Bauer. Además de una excelente calidad óptica, el vidrio de cuarzo producido tiene excelentes propiedades mecánicas y puede procesarse fácilmente.
Los investigadores de Karlsruhe e Irvine utilizaron la resina POSS para imprimir diversas nanoestructuras, entre ellas cristales fotónicos de haces libres de 97 nm de anchura, microlentes parabólicas y un microobjetivo multilente con elementos nanoestructurados. "Nuestro proceso produce estructuras que permanecen estables incluso en condiciones químicas o térmicas adversas", afirma Bauer.
"El grupo INT dirigido por Jens Bauer está asociado al Clúster de Excelencia 3DMM2O", afirma el profesor Oliver Kraft, Vicepresidente de Investigación del KIT. "Los resultados de la investigación publicados ahora en Science son sólo un ejemplo de cómo los investigadores en fase inicial reciben apoyo con éxito en el clúster". 3D Matter Made to Order, abreviado 3DMM2O, es un clúster de excelencia conjunto del KIT y la Universidad de Heidelberg. Adopta un enfoque interdisciplinario que combina las ciencias naturales y la ingeniería. Su objetivo es elevar la fabricación aditiva 3D al siguiente nivel, desde el nivel de las moléculas hasta las dimensiones macroscópicas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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