الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو تقترب من الواقعية

الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو هي القدرة على طباعة كائنات ثلاثية الأبعاد مقاسة بالنانومترات. على سبيل المثال، هناك 1,000,000 نانومتر في 1 مليمتر. لفهم حجم أو عدم وجوده، يجب أن نشير إلى حجم شعرة الإنسان، التي تبلغ 75,000-100,000 نانومتر في القطر.

استكشاف الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو

تستضيف هذه المقاييس الدقيقة مجموعة من المنتجات التي قد تثور على الصناعات، من شريحة الكمبيوتر الصغيرة ولوحة الكمبيوتر المطبوعة إلى أجزاء معدنية على مستوى النانو التي تتيح سرعات شحن وتفريغ أسرع للبطاريات.

سوف ي cải thiện هذا الاختراق من الكفاءة ويزيد من إنتاجية الأجزاء الصغيرة.

تستفيد صناعات مثل الإلكترونيات الدقيقة وروبوتات النانو وتكنولوجيا الحساء من القدرة على إنشاء كائنات على هذا المستوى الدقيق دون المساس بالدقة. في الوقت الحالي، تعمل الجامعات في جميع أنحاء أمريكا على البحث في طرق مختلفة للطباعة على مستوى النانو مع الحفاظ على الدقة المطلوبة في صناعاتها.

تركز بعض هذه المؤسسات على تحسين التكنولوجيا الكهربائية، في حين تركز أخرى على طرق الطباعة على مستوى النانو التي تستخدم التفاعلات الكيميائية الضوئية، بما في ذلك تثبيت البروتينات أو السكريات أو الجينات.

استفادت المواد والبلاستيك المطبوعة على مستوى النانو لفترة طويلة من القدرة على الطباعة على هذا المستوى، ولكن فقط في السنوات القليلة الماضية تمكنت العلماء من تحقيق اختراقات في طباعة الأجسام المعدنية بدقة على هذا الحجم.

تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن على هذا المستوى للعلماء تجميع الكائنات ذرةً ذرة.

حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو

الدكتور دميتري موموتينكو، الذي يترأس مجموعة البحث الأصغر في معهد الكيمياء، يعتقد أن هذه التكنولوجيا ستمكن فريقه من طباعة بطاريات يمكن شحنها وتفريغها بسرعات تزيد عن 1000 مرة أكثر من التكنولوجيا الحالية. بعض تصريحاته تشمل: “إذا كان ذلك ممكنًا اليوم، يمكن شحن السيارات الكهربائية في غضون ثوانٍ”.

الهدف هو تقصير المسارات بين الأيونات في خلية البطارية. ستمكن الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو فريقه من إعادة النظر في هذه الفكرة القديمة التي تبلغ 20 عامًا، من أجل طباعة هياكل البطارية الداخلية بطريقة تتيح للإلكترونات المرور عبر الخلية بأكملها في وقت واحد، بدلاً من المرور من جانب إلى آخر.

باستخدام هذه التكنولوجيا، يمكن للفريق طباعة هياكل معدنية بدقة تصل إلى 25 ميكرون، مما سيفيد كل من روبوتات النانو والإلكترونيات الدقيقة.

تكنولوجيا الطابعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو

الكيميائية لايسان خاسانوفا في جامعة أولدنبورغ تعمل على إنشاء رأس الطابعة المتخصص المطلوب للطباعة على مستوى النانو. تبدأ بأنبوب زجاجي عادي، ثم توضع أنبوبة قطرية بسماكة 1 ملم مع سائل أزرق. عند تطبيق الكهرباء، يحدث تفاعل يؤدي إلى صوت انفجار. ثم يتم إزالة الأنبوب، مما يكشف عن ثقب صغير بما يكفي لتلبية متطلباتهم.

في حرم جامعة Wechloy، يحتوي المختبر على ثلاث طابعات مصممة ومبرمجة داخليًا وفقًا لمعاييرهم الدقيقة. تشبه هذه الطابعات الطابعات ثلاثية الأبعاد الاستهلاكية الحالية، ولكن مع فرق صغير – الحجم.

تركز هذه الطابعات على الدقة، باستخدام قواعد من الغرانيت مع رغوة لتقليل الاهتزازات التي تسببها عملية الطباعة. هذه الخطوات تساعد في التحكم الدقيق في طابعة ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى دقة أعلى على مستويات أصغر. الطابعات ثلاثية الأبعاد التقليدية التي تعتمد على المساحيق المعدنية قادرة فقط على تحقيق دقة على مستوى المايكرون، وهو فرق في الحجم يصل إلى 1000 مرة.

يتم أيضًا مراعاة بيئة الطابعة، حيث أدرك الفريق أهمية الإضاءة في مختبرهم بسبب التداخل الكهرومغناطيسي. يستخدمون إضاءة تعمل بالبطاريات لمساعدتهم على عزل الحقل الكهرومغناطيسي الناتج عن التيارات المتغيرة.

نظرة سريعة على الهياكل المعدنية على مستوى النانو

تتمثل الجزيئات البلاستيكية المطبوعة على مستوى النانو في هياكل سهلة المناولة بسبب قوتها الضعيفة وتحمل الحرارة المنخفض. تتيح الطبيعة القابلة للتشكيل للبلاستيك للعلماء تشكيل البلاستيك في أشكال أصغر. أدت هذه السهولة في الاستخدام إلى معظم التطورات الحديثة في تكنولوجيا الطباعة.

في المقابل، تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن على مستوى النانو حدودًا أضيق ومقاومة أعلى للحرارة والاهتراء. تتطلب هذه الطابعات اختراعات حديثة من خوارزميات الطباعة المطورة إلى رؤوس طابعة معاد تصميمها لتمكين الطباعة الصغيرة والدقيقة.

في الوقت الحالي، يمكن للفريق العمل مع النحاس والفضة والنيكل وسبيكة النيكل المنغنيز وسبيكة النيكل الكوبالت. نجح الدكتور موموتينكو وفريق من الباحثين في إنشاء أعمدة نحاسية حلزونية بقطر 25 نانومتر، أو 195 ذرة نحاس، كجزء من دراستهم المنشورة في مجلة النانوتكنولوجيا في عام 2021. باستخدام طريقة تم إنشاؤها بواسطة الدكتور موموتينكو وزميله جوليان هينغستيلر، يتم استخدام آلية تعكس مع رأس الإخراج لتحديد عملية سحب الورق المطلوبة لمنع الحاجز من الت固يف أثناء الطباعة. تتشكل الطباعة طبقة تلو الأخرى بسرعات تصل إلى بضع نانومترات في الثانية.

طباعة ثلاثية الأبعاد أعمدة نحاسية على مستوى النانو. الائتمان: رسائل النانو.

الوقت هو كل شيء

تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للأجسام المسطحة Spiral لتحسين تخزين البطارية وإنتاجها. تسيطر على الهياكل النانوية بطريقة تتيح للأيونات المرور عبر البطارية بسرعة وانتظام. هذا يؤدي إلى تحسين معدلات شحن وتفريغ البطارية.

سوف يستفيد من هذه التكنولوجيا الصناعات التي تعتمد على تخزين الطاقة، من بطاريات السيارات الكهربائية إلى المنازل غير المرتبطة بالشبكة أو متطلبات تخزين البيانات لمزارع الخوادم التي لا يمكن أن تتعطل أبدًا بسبب فشل في الشبكة.

أولًا يأتي المخاطر

为了减轻与生产 بطاريات الليثيوم أيون المرتبطة بالمخاطر، يتم استخدام غرف محكمة معزولة مليئة بغاز آرغون غير نشط تحت ضغط إيجابي. يتم تصميم الغرفة لتكون 10 أقدام طويلة ووزنها يقارب 1000 رطل.

كيف سيتعامل البطارية مع الحرارة الناتجة عن تفاعلها عند شحنها إلى السعة الكاملة؟ يقول الدكتور موموتينكو: “من ناحية، نحن نعمل على الكيمياء اللازمة لإنتاج مواد الكاثود النشطة على مستوى النانو؛ ومن ناحية أخرى، نحن نحاول تعديل تكنولوجيا الطباعة لهذه المواد”.

ثم يأتي التقدم

باستخدام التكنولوجيا الحالية للترسيب الكهربائي، تمكنوا من تعديل هذه الطريقة (أيونات النحاس الموجبة مع الكاثود السالب في المحلول الملحي). سمح رأس الإخراج الذي طوره الفريق بتمكين الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى النانو، مقارنة بالطابعات ثلاثية الأبعاد الحالية التي تعتمد على المساحيك المعدنية والتي محدودة بالمايكرون.

تكنولوجيا البطارية هي مجرد حالة استخدام أولية، والدكتور موموتينكو لديه مفاهيم جريئة أخرى في الاعتبار. يخطط لاستخدام هذه تكنولوجيا الطباعة للاستفادة من مجال شاب يسمى سبينترونكس، الذي يهدف إلى القدرة على تحكم “السبين” – خاصية ميكانيكية كمومية للإلكترونات.

كما يخطط لتصنيع حساسات قادرة على الكشف عن جزيئات فردية. هذا سيساعد في الكشف عن مرض الزهايمر، الذي يشتهر بكمياته الصغيرة من العلامات البيولوجية.

حتى بعد تطوير هذه التكنولوجيا، يبقى الفريق في حالة من الدهشة من القدرة على إنشاء كائنات لا يستطيع العين البشرية رؤيتها بدون مساعدة.