Gli ingegneri della UC Irvine inventano un modo per stampare in 3D ottica

L’innovazione consente la produzione su chip per tecnologie nel campo della medicina, delle comunicazioni e altre applicazioni

Un gruppo di ricerca guidato da scienziati dell’Università della California, Irvine, ha sviluppato un nuovo metodo a bassa temperatura per la stampa 3D di vetro di grado ottico, aprendo la porta a sistemi microelettronici con capacità nanofotoniche ad alta risoluzione e a luce visibile.

L'innovazione è oggetto di un articolo pubblicato di recente su Science.

Una nuova generazione di tecnologie da utilizzare in medicina, navigazione, comunicazioni, telerilevamento e altre applicazioni potrebbe essere resa possibile dalla combinazione di ottica ad alta precisione e microelettronica. Ma i metodi tradizionali per la stampa del vetro ottico richiedono una sinterizzazione ad alta temperatura che causerebbe danni ai materiali che compongono quelle stesse piattaforme.

"Questo lavoro apre la strada alla produzione su chip", ha affermato l'autore principale Jens Bauer, che ha iniziato questo progetto come ricercatore dell'UCI in scienza e ingegneria dei materiali e che ora dirige il Laboratorio di metamateriali nanoarchitettonici presso l'Istituto di tecnologia tedesco di Karlsruhe. "Praticamente per qualsiasi chip in grado di sostenere 650 gradi Celsius, sarà possibile stampare micro e nanostrutture di vetro trasparente di alta qualità direttamente sul chip." ha spiegato Cameron Crook, ricercatore dell’UCI in scienza e ingegneria dei materiali e coautore dello studio.

Il lavoro del team presso UCI e KIT prevedeva l’uso di un processo di stampa 3D chiamato polimerizzazione a due fotoni o scrittura laser diretta. Il metodo consente la creazione di complesse strutture su scala nanometrica, ma in precedenza prevedeva principalmente formazioni in plastica utilizzando resine polimeriche adatte alla stampa. La stampa 3D con materiali ottici come il vetro di silice ha richiesto la sinterizzazione di nanoparticelle a temperature superiori a 1.100 gradi Celsius, abbastanza calde per legare i materiali senza liquefarsi, ma troppo calde per la deposizione su chip semiconduttori.

La soluzione dei ricercatori è stata quella di utilizzare come ingredienti una resina liquida costruita attorno a molecole di "silsesquioxano oligomerico poliedrico" o POSS, che contengono minuscoli grappoli di vetro costituiti solo da una manciata di atomi. Hanno combinato POSS con altre molecole organiche per consentire la stampa 3D senza sforzo. La nanostruttura polimerica pre-vetro reticolata risultante è stata riscaldata in aria a una temperatura di 650 gradi Celsius, rimuovendo i componenti organici per formare una nanostruttura di vetro continua.

"Le parti di vetro ottenute con la massima risoluzione mai vista, fino a 97 nanometri, erano chimicamente perfettamente pure e di qualità ottica", ha affermato Bauer.

Ha aggiunto che questa tecnica può essere adattata per includere materiali oltre al vetro di silice, svelando potenzialità completamente nuove nei circuiti integrati. I ricercatori hanno richiesto un brevetto internazionale per questa innovazione.

Il gruppo di ricerca comprendeva Tommaso Baldacchini della Edwards Lifesciences Inc. con sede a Irvine. Il finanziamento è stato fornito dalla German Research Foundation e il supporto per l'imaging è stato fornito dall'UC Irvine Materials Research Institute.