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一種新方法可以將玻璃制作成復(fù)雜的齒輪形狀。圖片來源：GLASSOMER GMBH
本報(bào)訊?玻璃是人類最古老的材料之一，最早生產(chǎn)于公元前3500年左右的埃及和美索不達(dá)米亞東部。其制造工藝同現(xiàn)在一樣：在大約2000℃的溫度下熔化二氧化硅或硅，然后使用各種技藝進(jìn)行塑形。
現(xiàn)代玻璃制造技術(shù)可以批量生產(chǎn)某些形狀的玻璃，但不能大批量生產(chǎn)現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)所需的設(shè)計(jì)復(fù)雜的玻璃儀器。
近日，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》的研究報(bào)道了一種新的玻璃制造方法，該方法能使這種材料像塑料一般，讓科學(xué)家注模出疫苗瓶、實(shí)驗(yàn)用的彎曲管道和其他復(fù)雜形狀。
2017年，德國(guó)弗賴堡大學(xué)微系統(tǒng)工程師Frederik Kotz領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開始著手研究復(fù)雜玻璃儀器難以批量生產(chǎn)的問題。他們改造了一臺(tái)通常用來印刷塑料或金屬的3D打印機(jī)以鍛造玻璃。
研究人員將二氧化硅納米顆粒與一種可以用紫外光固化的聚合物混合，制成了一種可印刷的粉末。在打印出想要的形狀后，他們用紫外光固化該聚合物，使其保持形狀。然后，研究人員將混合物放入烤箱中燒掉聚合物，并將二氧化硅顆粒熔合成連續(xù)的玻璃結(jié)構(gòu)。這種方法奏效了，但制作的過程太慢，仍不能像塑料那樣完全工業(yè)化生產(chǎn)。
現(xiàn)在，Kotz和同事將他們的方法擴(kuò)展到注塑成型階段（一種按噸批量生產(chǎn)玩具和汽車保險(xiǎn)杠等塑料零件的工藝）。
研究人員再次從微小的二氧化硅顆粒開始，將二氧化硅與兩種聚合物——聚乙二醇（PEG）和聚乙烯醇縮丁醛（PVB）混合。這種混合物產(chǎn)生了像牙膏一樣黏稠的糊狀物。研究小組將糊狀物送入擠出機(jī)，壓入圓盤或小齒輪等形狀的預(yù)制模具中。
拿走模具，零件能保持形狀但很脆弱。為使它們變硬，研究人員用水洗去PEG，然后分兩個(gè)階段燒制剩余的材料：第一階段在600℃下燒盡PVB，第二階段在1300℃下將二氧化硅顆粒熔合。
“最終我們能夠得到任意形狀的高純度二氧化硅玻璃?！盞otz說，這些玻璃部件具有商業(yè)電信設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)儀器所需的光學(xué)和化學(xué)特性。
然而，這種大規(guī)模生產(chǎn)玻璃零件的新方法仍然面臨一個(gè)瓶頸：為了確保玻璃零件不會(huì)破裂，只能在數(shù)天內(nèi)緩慢清洗掉PEG。如果能加快這一環(huán)節(jié)的速度，這一玻璃成型方法可能會(huì)被廣泛使用。（徐銳）
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abf1537
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