Cách tiếp cận mới giúp đơn giản hóa đáng kể việc chế tạo sợi silica, cho phép thực hiện các thiết kế và ứng dụng mới

Theo Sciencedaily, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cách sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra một khuôn phôi có thể vẽ thành sợi thủy tinh silica, vật liệu xương sống của mạng viễn thông toàn cầu.

Phương pháp chế tạo mới này không chỉ đơn giản hóa việc sản xuất các loại sợi thủy tinh mà còn cho phép thực hiện các thiết kế và ứng dụng trước đây không thể làm.

John Canning, người đứng đầu nhóm nghiên cứu của Đại học Công nghệ Sydney, giải thích: “Chế tạo sợi quang silica đòi hỏi quá trình sử dụng nhiều ống kéo sợi trên máy tiện, yêu cầu lõi hoặc lõi của sợi phải được đặt chính xác.

Với sản xuất bồi đắp, không cần phải tập trung vào hình dạng sợi. Điều này loại bỏ một trong những hạn chế lớn nhất trong thiết kế sợi và giảm đáng kể chi phí sản xuất sợi.”

Trên tạp chí Optics Letters (OSA), nhóm của Canning phối hợp với nhóm nghiên cứu của Gang-Ding Peng, Đại học New South Wales ở Sydney viết về các sợi thủy tinh silica đầu tiên được vẽ từ các mẫu được in bằng công nghệ 3D.

“Các phương pháp sản xuất bồi đắp như in 3D rất phù hợp để thay đổi toàn bộ cách tiếp cận đối với thiết kế sợi và kết quả”, Canning nói.

“Ví dụ, điều này có thể giúp mở rộng các ứng dụng của cảm biến sợi, làm tốt hơn các phương pháp tương đương như điện tử về tuổi thọ, hiệu chuẩn và bảo trì nhưng chưa được triển khai rộng rãi do giá thành khá đắt”

Biến đổi vật liệu polymer in 3D thành kính

Thành tựu mới được xây dựng trên nền công trình trước đó, trong đó các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu polymer để chứng tạo ra sợi thủy tinh đầu tiên được rút ra từ khuôn in 3D.

Áp dụng phương pháp này cho silica đã giải quyết những thách thức về vật liệu bao gồm nhiệt độ cao – hơn 1900 độ C – mức nhiệt độ cần thiết cho kính in 3D.

“Nhờ sự kết hợp mới lạ giữa các vật liệu và tích hợp hạt nano, chúng tôi đã cho thấy có thể tạo ra một dạng silica in 3D,” Canning nói. “Chúng tôi hy vọng sự tiến bộ này sẽ mang lại một loạt tích cực cho các phương pháp sản xuất bồi đắp khác, để gia tăng lĩnh vực này.”

Trong công trình mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy in 3D chiếu ánh sáng trực tiếp có sẵn trên thị trường. Loại sản xuất bồi đắp này cực kỳ chính xác và thường được sử dụng để tạo ra các vật thể polymer bằng cách sử dụng máy chiếu ánh sáng kỹ thuật số để polyme hóa các monome phản ứng quang hóa.

Để tạo ra một vật thể silica, các nhà nghiên cứu đã thêm các hạt nano silica vào monome với số lượng từ 50% trở lên theo trọng lượng. Họ đã thiết kế một vật thể hình trụ in 3D có chứa một lỗ cho lõi.

Sau đó, họ chèn một hỗn hợp polymer và hạt nano tương tự vào lỗ, lần này thêm chất Germanosilicate vào hạt nano silica để tạo ra chỉ số khúc xạ cao hơn. Theo cách này, sự tích hợp của một loạt các chất lỏng trở nên khả thi.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một bước gia nhiệt độc đáo gọi là gỡ rối để loại bỏ polymer và chỉ để lại các hạt nano silica, được giữ bởi các lực liên phân tử.

Cuối cùng, việc tăng nhiệt độ đã hợp nhất các hạt nano thành một cấu trúc vững chắc có thể được đưa vào tháp vẽ, nơi nó được nung nóng và kéo để tạo ra sợi quang.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật mới để chế tạo một dạng phôi tương đương với sợi Germanosilicate tiêu chuẩn có thể được sử dụng để tạo ra các sợi đa chế độ hoặc đơn, tùy thuộc vào điều kiện vẽ.

Mặc dù họ đã quan sát thấy tổn thất ánh sáng cao trong các sợi quang được chế tạo ban đầu, từ đó họ đã xác định được nguyên nhân của những tổn thất này và đang nỗ lực để giải quyết chúng.

“Kỹ thuật mới hoạt động tốt một cách đáng ngạc nhiên và có thể được áp dụng cho một loạt các xử lý vật liệu thủy tinh để cải thiện các loại thành phần quang học khác,” Canning nói.

“Với những cải tiến hơn nữa để hạn chế tổn thất ánh sáng, phương pháp mới này có khả năng thay thế phương pháp sản xuất sợi quang silica dựa trên máy tiện thông thường. Điều này không chỉ giảm chi phí chế tạo và vật liệu mà còn giảm chi phí lao động vì phải đào tạo và giảm thiểu rủi ro.”

Các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc hợp tác với một công ty chế tạo sợi thương mại chính thống để cải thiện và thương mại hóa công nghệ này. Họ cũng có kế hoạch khám phá các phương pháp khác để tăng tốc in 3D bằng cách tinh chỉnh nó theo các ứng dụng khác nhau.