通过低温纳米尺度工程实现可调节紫外–可见–红外光致发光的玻璃3D打印

以新方式点亮玻璃

设想日常玻璃制品——诸如透镜、灯罩，甚至装饰雕塑——不仅透明，还能以从紫外到可见再到红外的任意颜色发光，且效率高、寿命长。该研究展示了科学家如何通过在低温下将微小的发光源（称为量子点）直接在玻璃内部生长，来“教会”3D打印玻璃在极宽的色谱范围内发出可调谐的光。

发光玻璃为何重要

玻璃已经是现代科技的核心，从光纤电缆到手机屏幕和精密透镜皆是如此。然而迄今大多数3D打印玻璃主要利用其形态和透明性，而未开发其在更高级光学处理方面的潜力。量子点——纳米尺度的晶体，能发出明亮且纯净的颜色——是赋予玻璃新光学功能的理想候选。但问题在于，传统的3D打印玻璃需要高温处理，这往往会损伤或使这些脆弱的纳米晶体团聚，从而破坏其性能。该研究正面解决这一冲突：将玻璃成形与量子点形成分离开，并在经特殊设计的多孔玻璃内部以较低温度温和地完成第二步。

为光子搭建纳米级游乐场

研究人员首先使用溶胶‑凝胶墨水和数字光处理打印机3D打印出一种特殊的纳米多孔玻璃。打印件起初是湿凝胶，经干燥成为坚硬的“干凝胶”（xerogel），随后在适度的650°C下加热以去除有机物并形成具有均匀纳米孔的坚固透明玻璃。铅、镉、银、铟或锌等金属离子从一开始就被嵌入该玻璃网络，作为未来量子点的原料。结果是得到清澈、机械上稳健的玻璃物件——无论是东方明珠的模型还是龙形雕塑——其内部呈海绵状的纳米尺度孔隙，同时在可见光范围内仍具有超过90%的透过率。

温和而精确地生长量子点

一旦多孔玻璃成形，真正的魔力便在低温液浴中发生。将3D打印的玻璃浸入精心选择的前体溶液中，溶液成分扩散进入纳米孔。在那里，玻璃内预先存在的金属离子与溶液中的进入离子相遇，量子点便直接在微小通道内结晶。由于孔径仅有数纳米，这些孔充当纳米模具，限制量子点的生长尺寸并保持均匀分布。通过改变化学配方——例如更换卤素离子或调节孔径——团队可以控制量子点的组成和尺寸，从而调节发射颜色，从约300 nm的紫外一直到约2微米的近红外，寿命范围从几十到数百纳秒不等。

稳定性与纳米环境的巧妙利用

多孔玻璃不仅仅提供物理笼罩。在原子层面，量子点与玻璃网络之间形成化学键，尤其是量子点中的铅原子与玻璃中的氧原子之间。先进的X射线与计算研究表明，这些键有助于“修复”量子点表面的缺陷位点，这些缺陷通常会俘获电荷并将光能浪费为热能。这种物理与化学的双重约束可将玻璃中钙钛矿量子点的发光效率提升到约82%，并显著增强稳定性。与溶液或薄膜中的常规量子点相比，嵌入玻璃的量子点在空气、湿度和强激光照射下数月内仍保持大部分亮度，使其在实际设备中更为可行。

从催化剂到隐秘信息

由于该方法适用于多种量子点材料且兼容复杂的3D形状，它为多功能器件打开了大门。团队展示了带有微小表面结构的3D打印圆顶，这些结构模拟天然的光捕获构造。填充量子点后，这些圆顶在光照下可以驱动二氧化碳向一氧化碳和甲烷等有用燃料的转化，且更精细的表面微结构显著提高了反应速率。他们还展示了如何通过空间上图案化不同的量子点，将信息“写入”玻璃，并通过特定化学处理和光照来显隐或抹去这些信息，暗示了在光学加密和防伪方面的应用前景。

一种新型可设计的光子玻璃

通过将3D打印、纳米多孔玻璃与低温量子点生长相结合，这项工作建立了一个用于定制发光玻璃的多功能平台。工程师不再受限于固定颜色或简单形状，而可以逐体素（voxel）指定玻璃物件在紫外—可见—红外光谱中何处以及如何发光。这种细粒度控制，加上长期稳定性和对多种量子点类型的兼容，为新一代透镜、传感器、光源和集成光子组件铺平了道路，使量子尺度的电子行为与日常尺度的器件之间实现无缝衔接。

引用: Zhou, F., Yang, Y., Feng, K. et al. 3D Printing of glasses with tunable UV–VIS–IR photoluminescence via low-temperature nanoscale engineering. Nat Commun 17, 1809 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68523-z

关键词: 3D打印玻璃, 量子点, 光致发光, 纳米多孔材料, 光子器件