科技也有一顆浪漫的心！比一顆3D列印的玻璃心——3D列印技術新突破！

晶瑩剔透的玻璃球。圖片來源：123RF

玻璃，可能是人類歷史上最重要，也最美麗的材料之一。從教堂的玻璃窗，到施華洛世奇，都閃耀著這種古老材料絕美的絢麗。

玻璃製品很美，加工起來卻很難。首先，需要高溫。加工常見的鈉鈣玻璃就需要800至1000攝氏度；加工石英玻璃、鋼化玻璃這些特種玻璃還需要更高的溫度。其次，複雜的結構往往需要手工製作——效率低，精度也難以控制。精密儀器里的玻璃要求就更高了。精密的表面圖案往往需要用到氫氟酸（一種腐蝕性極強的化學試劑，參見《絕命毒師》第一集）或是激光進行表面刻蝕，操作有風險不說，成本也非常高昂。光學儀器上採用的玻璃部件，比如透鏡，則需要玻璃有極高的透明度和凈度。別看日常生活中的玻璃貌似很透明，但裡面還是會殘留少許金屬離子，造成偏色。想提高玻璃的透明度，就需要提高原料的純度。儘可能地去除原料裡帶顏色的離子，比如鐵、鈷、錳什麼的。

盧浮宮的金字塔採用的玻璃，為了達到極高的透明度，保證透過環境本身的顏色而不偏色，設計師貝聿銘甚至動用了法國總統的關係，就為訂製一批特種玻璃。圖片來源：https://travelnews.aiguemarine-paris.com

「3D列印玻璃」屢屢被人們提及，卻一直是雷聲大雨點小。原因在於，3D列印技術的原理，是「逐層堆疊」出設計好的三維物體。3D列印依靠的是數字建模工具，從簡單配件到人體器官，不管結構多複雜，用3D建模軟體建個模型，告訴機器怎麼操作，剩下的就是等著機器一層一層地用材料堆出想要的產品。3D列印技術能用高分子材料加工出高精度、高解析度、結構複雜的產品，但加工玻璃和陶瓷材料則一直是難點。原因主要在於，加工玻璃和陶瓷需要的溫度極高，噴出來以後固化速度又極快，固化速度難以控制，這就很容易會在玻璃中產生一些缺陷和氣泡，難以精確控制。

雖然困難，但是科學家們還是做了一些嘗試。比如在上千度的高溫下，把液態的玻璃從容器中逐漸擠出，擠出後玻璃遇冷凝固，堆疊出想要的形狀[1]；或者，把玻璃纖維連續不斷地送到激光束下，激光點按照物體的形狀移動，熔化的玻璃纖維，也就在激光點走過的路徑上逐漸凝固、成型。然而這兩種方法做出的玻璃，粗糙度仍然比較捉雞，透明度也不好[2,3]。

即使效果不甚理想，3D列印技術對於玻璃加工還是有極大的吸引力。為什麼呢？因為3D列印玻璃不僅更加安全，而且，它解析度可能比傳統工藝更高。

什麼是解析度？3D印表機的解析度和普通印表機、手機屏幕的解析度概念類似，就是「列印平面上最小單元的尺寸」。從印表機噴嘴裡噴出的最小的3D小球的直徑，決定著這台3D印表機能夠達到的最大解析度。能噴出的小球越小，印表機「堆」出來的產品也就越精細。3D列印和傳統工藝的不同還在於，3D列印可以很方便地結合精確到納米的模板，加工的精度自然也就提高了。

德國的科學家科茲（F.Kotz）等人今天剛剛發表在《自然》雜誌上的論文，就向世界展示了一種用常見的光固化成型（Stereolithography，SLA）3D列印技術，製作高透明度、高精度的玻璃製品的工藝方法[4]。

科茲掌握這門手藝也並非一帆風順。玻璃的原料是石英砂，在常溫下是固態的，在上千度的高溫下才能熔化，顯然不適合常溫加工。使用納米材料看上去是可行的方法——納米級的二氧化硅顆粒也可以提供硅，它很容易合成，也很容易分散在溶液里。分散的問題解決了，還要解決成型的問題。他們把一種光固化高分子材料和二氧化硅顆粒進行複合。這種材料我們在補牙的時候也能見到，平時是液態，只要遇到紫外光照射，小分子們就會拉起手來，形成一張大網，變成堅硬的固態。加入了這種材料，二氧化硅就被固定在網裡，不會到處亂跑啦[5]。室溫下把這種「液體原料」倒進模板，然後在紫外光的照射下，模板中的材料會發生交聯、固化，從液體變成固體。脫模後，經過燒結就成了玻璃。簡單地說，這種工藝製作出來的玻璃已經不再是過去的簡單硅酸鹽玻璃，而是高分子材料和硅酸鹽「聯手」形成的、具有玻璃特性的新材料。

圖片來源：Nature 翻譯：巴利思坦

這個想法雖好，但這樣簡單混合兩種物質，卻很難做出什麼「正經玻璃」：首先，精度還是不夠高。由於混進了高聚物，材料在模板上定型的時候是一個尺寸，燒完了又會變成另一個尺寸。不僅XY方向的解析度控制不住，Z方向的高度在燒結了以後也容易放飛自我。其次，光學性能也不夠好——原材料里有聚合物，很容易結晶，一旦結晶，透光性就不好了。

費了半天勁，只能列印出這樣的玻璃，和鹹魚有什麼區別！

這個問題的關鍵，在於加入的高分子材料。一方面，高分子材料的總量要盡量減少，這能夠降低溶液粘度，提高透明度，穩定尺寸；另一方面，這張高分子「大網」的結點要盡量增多，這樣才能牢牢地網住二氧化硅小球。於是，科茲不斷地調整聚合物單體和玻璃原料的成分和配比，終於得到了理想的材料。溶液粘度變得更小，容易加工；燒結出的成品尺寸更穩定；透光率也從開始4%，提高到了66%。

左圖，研究人員最初做出來的溶液（左）和優化了透明度的成品（右）。右圖，3D列印得到的作者所在單位KIT標誌，圖中標尺為5 mm。實驗圖片來源：Nature

不止這樣，少女心的研究者們還在原料里加入了不同的金屬鹽，做出了彩色的玻璃。

加入金離子，採用微光刻技術製作的玻璃器件。 圖片來源：Nature

3D列印的玻璃城堡！誰還不是小公舉咋地！這個玻璃城堡總寬度只有不到一點五厘米哦……看這城牆上的小鋸齒……這是衣櫃王的冰城堡吧！圖片來源：Nature

這種3D列印製造玻璃器件的方法，不需要可怕的試劑（氫氟酸），也不用激光刻蝕，只要電腦里有個3D模型，就能在常溫下列印出坯料。雖說燒結還需要高溫吧，但複雜的結構加工已經基本完成了。據報道，這種工藝做出來的產品精度和解析度高直逼傳統工業的最高水平，粗糙度只有幾個納米，耐熱性能杠杠的，面對800度火焰絲毫不懼，光學性能更是優異，可以用作精密儀器上的光學器件。玻璃本身具有優越的耐磨性和化學穩定性，加上高精度的技能點，也許還能用於醫療領域（玻璃心什麼的……太脆還是算了吧233）。

快去忽悠老闆買一個3D印表機，然後就可以在實驗室列印吊墜送給女盆友啦！（首先你得……）

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