Tisk nanoscale 3D se blíží realitě

Tisk nanoscale 3D je schopnost tisknout objekty měřené v nanometrech. Jako příklad lze uvést, že v 1 milimetru je 1 000 000 nanometrů. Abychom lépe pochopili velikost nebo spíše její nedostatek, měli bychom se podívat na velikost jednoho lidského vlasu, který má průměr 75 000-100 000 nanometrů.

Prozkoumání nano-škály 3D tisku

Tato mikroskopická škála hostí řadu potenciálně průmyslově rušivých produktů, od menších počítačových čipů a 1 vytištěné počítačové desky až po nano-škálové kovové díly, které umožňují rychlejší nabíjení a vybíjení baterií.

Tento průlom både zlepšuje efektivitu a zvyšuje produktivitu menších dílů.

Průmysly, jako je mikroelektronika, nanorobotika a senzorová technologie, mohou těžit z možnosti vytvářet na nano-škále bez kompromisů v přesnosti. V současné době univerzity po celé Americe zkoumají různé způsoby, jak tisknout na nano-škále, zatímco zachovávají přesnost, kterou jejich příslušné průmysly vyžadují.

Několik z těchto institucí se zaměřuje na pokroky v elektrických technologiích, zatímco jiné se soustředí na nano-tiskové metody, které využívají fotochemických reakcí, včetně imobilizace proteinů, glykanů nebo genů.

Nano-tištěné syntetické materiály a plasty dlouho těží z možnosti tisknout na této škále, ale teprve v posledních 2-3 letech vědci dosáhli průlomů v tisku kovových objektů přesně na tuto velikost.

3D tisk kovu na této škále umožňuje vědcům sestavit objekt atom po atomu.

Řešení nano-škály 3D tisku

Dr. Dmitry Momotenko, který vede juniorskou výzkumnou skupinu na Ústavu chemie, věří, že tato technologie umožní jeho týmu vytisknout baterie, které lze nabít a vybíjet rychlostí více než 1000x rychleji než současné konkurenční technologie. Některé z jeho prohlášení zní: “Pokud se to podaří, elektromobily lze nabít během sekund”.

Cílem je exponentiálně zkrátit dráhy mezi ionty v bateriové buňce. Nano-škálový 3D tisk umožní jeho týmu revidovat tuto 20 let starou myšlenku s cílem vytisknout vnitřní struktury baterií způsobem, který umožňuje elektronům procházet celou buňkou najednou, místo aby musely procházet z jedné strany buňky na druhou.

S možností přesně tisknout kovové struktury až do velikosti 25 mikronů mohou nanorobotika (nano-škálové mikročipy) a mikroelektronika stejně těžit z této technologie.

Technologie nano-škálového 3D tisku

Chemik Liaisan Khasanova na Univerzitě Oldenburgu je pověřena vytvořením specializované trysky vyžadované pro nano-škálový tisk. Začíná se standardní skleněnou trubkou, do které se vloží 1mm tlustá kapilární trubka s modrou kapalinou. Jakmile se aplikuje elektrický proud, dojde k reakci, která skončí hlasitým výbuchem. Trubka se poté odstraní a odhalí se díra dostatečně malá, aby splnila jejich požadavky. “Laserový paprsek uvnitř zařízení ohřívá trubku a táhne ji. Poté náhle zvýšíme tažnou sílu, aby sklo prasklo uprostřed a vytvořilo velmi ostrou špičku,” vysvětluje Khasanova, která pracuje na svém doktorském studiu chemie v Electrochemical Nanotechnology Group na Univerzitě Oldenburgu, Německo.

Na kampusu Wechloy Univerzity je laboratoř vybavena třemi tiskárnami, které jsou postaveny a naprogramovány podle jejich specifických požadavků. Tyto tiskárny jsou podobné spotřebitelským 3D tiskárnám, ale s jedním malým rozdílem – velikostí.

Tyto tiskárny se zaměřují na přesnost, využívají velké granitové základny vrstvené pěnou, aby pomohly snížit vibrace vytvořené tiskovým procesem. Tyto kroky pomáhají přesně kontrolovat 3D tiskárnu, což vede k vyšší přesnosti na menších škálách. Konvenční práškové kovové 3D tiskárny jsou schopny pouze mikronové rozlišení, což je velikostní rozdíl 1000x.

Prostředí tiskárny je také zohledněno, tým vzal v úvahu osvětlení v jejich laboratoři kvůli elektromagnetickému rušení. Používají bateriově napájená světla, aby pomohli izolovat elektromagnetické pole generované střídavými proudy.

Malý pohled na kovové nanostruktury

Nano-škálově tištěné plastové molekuly lze snadno manipulovat do strukturálních tvarů díky jejich nedostatku síly a nižší tepelné odolnosti. Měkká povaha plastu nabízí vědcům možnost manipulovat plastem do menších tvarů. Tato snadnost použití vedla k většině nedávných pokroků v tiskové technologii.

V porovnání s tím vyžaduje kovový nano-škálový 3D tisk menší tolerance a vyšší odolnost proti teplu a opotřebení. Tyto tiskárny vyžadují nedávné pokroky od rafinovaných tiskových algoritmů až po vynalezené tiskové trysky, aby umožnily malé přesné tisknutí.

V současné době je tým schopen pracovat s mědí, stříbrem, niklem, nikl-manganem a nikl-kobaltovými slitinami. Dr. Momotenko a tým výzkumníků byli úspěšní ve vytvoření měděných šroubovicových sloupků o velikosti 25 nanometrů nebo 195 měděných atomů jako součásti svých studií publikovaných v Journal of Nanotechnologies v roce 2021. Používají metodu vytvořenou Dr. Momotenkem a jeho kolegou Julianem Hengstelerem, zpětnou vazbu, která se používá ve spojení s extruzní hlavou, aby se zprostředkovala retrakční proces vyžadovaný pro zabránění ztuhnutí trysky během tisku. Tisknutí probíhá vrstvu po vrstvě rychlostí několika nanometrů za sekundu.

3D tisk nano-škálových měděných sloupků. Foto: Nano Letters.

Čas je zásadní

Tisk plochých šroubovicových objektů se hodí pro pokroky v oblasti skladování baterií a výroby. Kontroluje nanostruktury způsobem, který umožňuje protonům procházet baterií rychle a rovnoměrně. To vede k vylepšeným rychlostem nabíjení a vybíjení baterií.

To bude prospěšné pro průmysly, které závisí na skladování energie, od baterií pro elektromobily až po domy mimo síť nebo skladovací požadavky serverových farem, které nemohou být nikdy offline kvůli selhání elektrické sítě.

Nejdříve přichází riziko

Abyste zmírnili rizika spojená s výrobou lithiových baterií, specializované uzavřené komory jsou naplněny inertním argonovým plynem pod pozitivním tlakem. Komora je velká 10 stop a váží téměř 1000 liber.

Jak bude baterie zvládat teplo, které vznikne při své reakci, když je nabitá na plnou kapacitu? “Na jedné straně pracujeme na chemii potřebné pro výrobu aktivních elektrodových materiálů na nano-škále; na druhé straně se snažíme přizpůsobit tiskovou technologii těmto materiálům,” říká Dr. Momotenko.

Pak přichází pokrok

S využitím stávajících elektrochemických technologií byli schopni přizpůsobit tuto metodu (pozitivně nabité měděné ionty s negativně nabitou elektrodou ve slané roztoku). Tryska, kterou tým vyvinul, umožnila jim 3D tisknout na nano-škále, ve srovnání se současnými práškovými 3D tiskárnami, které jsou omezeny na mikrony.

Bateriová technologie je pouze prvním případem použití, Dr. Momotenko má v plánu další smělé koncepty. Plánuje využít tuto tiskovou technologii k využití mladšího oboru zvaného spintronika, který cílí na manipulaci “spinem” – kvantově mechanickou vlastností elektronů.

Plánuje také vyrobit senzory schopné detekovat jednotlivé molekuly. To by pomohlo při detekci Alzheimerovy choroby, která je proslulá svými zlomkovými množství biomarkerů.

I po vývoji této technologie tým zůstává v údivu nad schopností vytvářet objekty, které lidské oko není schopno vidět bez pomoci.