Nanoskala 3D-printning er tæt på virkelighed

Nanoskala 3D-printning er evnen til at 3D-printe objekter, der måles i nanometer. Som eksempel er der 1.000.000 nanometer i 1 millimeter. For bedre at forstå størrelsen eller mangel på størrelse, skal vi henviser til størrelsen på et menneskehår, der er 75.000-100.000 nanometer i diameter.

Udforskning af nanoskala 3D-printning

Denne mikroskopiske skala har en række potentiale industrier, der kan forstyrre, fra mindre computerchips og 1 pc-printede computerkort til nanoskala metaldele, der giver mulighed for hurtigere opladning/udladningsevne for batterier.

Dette gennembrud vil både forbedre effektiviteten og øge produktiviteten af mindre dele.

Industrier som mikroelektronik, nanorobotik og sensor-teknologi kan drage fordel af evnen til at skabe på denne nanoskala uden at gå på kompromis med nøjagtigheden. På dette tidspunkt forsker universiteterne i Amerika i forskellige måder at printe på nanoskala, mens de fastholder nøjagtigheden, deres respektive industrier kræver.

Flere af disse institutter fokuserer på fremskridt i elektriske teknologier, mens andre har deres øjne sat på nano-printmetoder, der udnytter foto kemiske reaktioner, herunder immobilisering af proteiner, glykaner eller gener. 

Nanoskala-printede syntetiske materialer og plastik har længe nydt godt af evnen til at printe på denne skala, men det er kun i de sidste 2-3 år, at videnskabsmænd har gjort gennembrud i at printe metalobjekter nøjagtigt til denne størrelse.

3D-printning af metal på denne skala giver videnskabsmænd mulighed for at samle et objekt atom for atom. 

Nanoskala 3D-printløsninger 

Dr. Dmitry Momotenko, der leder den juniorforskningsgruppe på Institut for Kemi, mener, at denne teknologi vil give hans team mulighed for at 3D-printe batterier, der kan oplades og aflades med hastigheder, der er 1000 gange hurtigere end nuværende konkurrerende teknologier. Nogle af hans udtalelser inkluderer: “Hvis det kan opnås i dag, kan elbiler oplades på få sekunder”.

Målet er at eksponentielt forkorte vejene mellem ioner i battericellen. Nanoskala 3D-printning vil give hans team mulighed for at genbesøge denne 20 år gamle idé i håb om at kunne 3D-printe batteriers interne strukturer på en måde, der giver mulighed for, at elektroner kan passere gennem hele cellen på én gang, i stedet for at skulle passere fra den ene side af cellen til den anden.

Med muligheden for at printe metalstrukturer nøjagtigt ned til 25 mikron vil både nanorobotik (nanoskala mikrochips) og mikroelektronik kunne drage fordel af denne teknologi.

Nanoskala 3D-printteknologier 

Kemiker Liaisan Khasanova på Universitetet i Oldenburg er ansvarlig for at skabe den specialiserede dyse, der kræves til at printe på nanoskala. Startende med en almindelig silica glasrør indsættes en 1 mm tyk kapillær-rør med en blå væske. Når elektricitet anvendes, sker en reaktion, der resulterer i en høj lyd. Røret fjernes herefter, og der afsløres et hul, der er småt nok til at opfylde deres krav. “En laserstråle inde i enheden varmer røret op og trækker det fra hinanden. Så øger vi pludselig trækkraften, så glas kan bryde i midten, og en meget skarp spids dannes,” forklarer Khasanova, der arbejder på sin ph.d. i kemi i Electrochemical Nanotechnology Group på Universitetet i Oldenburg, Tyskland.

På universitetets Wechloy-campus har laboratoriet 3 printere, der er bygget og programmeret internt til deres eksakte standarder. Lignende i koncept til dagens forbruger 3D-printere, men med en lille forskel – størrelsen.

Disse printere fokuserer på nøjagtighed og anvender store granitbaser lagt med skum til at reducere vibrationer, der skabes af printprocessen. Disse skridt hjælper med at kontrollere 3D-printeren nøjagtigt, hvilket resulterer i højere nøjagtighed på mindre skalaer. Konventionelle pulverbaserede metal 3D-printere kan kun opnå mikroskala opløsninger, en størrelsesforskel på 1000 gange.  

Printernes miljø er også en faktor, teamet har taget lyset i deres laboratorium i betragtning på grund af elektromagnetisk interferens. De anvender batteridrevne lygter til at hjælpe med at isolere det elektromagnetiske felt, der genereres af vekselstrøm.

En lille kig på metal nanostrukturer

Nano-skala-printede plastmolekyler kan let manipuleres til strukturelle former på grund af deres manglende styrke og lavere varmetolerancer. Den formbare natur af plastik giver videnskabsmænd mulighed for at manipulere plastikken til mindre former. Denne lette brug har resulteret i de fleste af de seneste fremskridt i printteknologi.

I sammenligning kræver metal nanoskala 3D-printning tættere tolerancer og højere modstand over for både varme og slid. Disse printere kræver nyere fremskridt fra raffinerede printalgoritmer til genopfundne printdyser for at muliggøre små og nøjagtige print. 

For tiden kan teamet arbejde med kobber, sølv, nikkel, nikkel-mangan og nikkel-kobolt-legeringer. Dr. Momotenko og et team af forskere var succesfulde i at skabe kobber-spiral-søjler på 25 nanometer eller 195 kobber-atomer i størrelse som en del af deres studier, der blev offentliggjort i Journal of Nanotechnologies i 2021. Ved hjælp af en metode, der er skabt af Dr. Momotenko og hans kollega Julian Hengsteler, anvendes en feedback-mekanisme i forbindelse med extrusionshovedet til at mediere retraktionsprocessen, der kræves for at forhindre, at dysen størkner midt i printningen. Printningen tager form ét lag ad gangen med hastigheder på få nanometer per sekund. 

3D-print nanoskala kobber-søjler. Foto krediteres Nano Letters.

Tiden er af største betydning

Printning af flade spiral-objekter er velegnet til fremskridt i batterilagring og produktion. Det kontrollerer nanostrukturerne på en måde, der giver mulighed for, at protoner kan passere gennem batteriet hurtigt og jævnt. Dette resulterer i forbedrede batteriers opladnings- og afladningshastigheder.

Dette vil være til fordel for industrier, der afhænger af energilagring, fra elbatterier til off-grid-hjem eller lagringskravene til dataserver-farme, der aldrig kan gå offline på grund af et strømsvigt.

Først kommer risikoen

For at mindske risikoen i forbindelse med produktionen af lithium-ion-batterier, anvendes specialiserede lukkede kamre, der er fyldt med en positiv tryk inert argon-gas. Kamrene er større end 10 fod lange og vejer næsten 1000 pund.

Hvordan vil batteriet håndtere varmen, der produceres af reaktionen, når det er opladt til fuld kapacitet? “På den ene side arbejder vi på kemien, der er nødvendig for at producere aktive elektrode-materialer på nanoskala; på den anden side forsøger vi at tilpasse printteknologien til disse materialer,” siger Dr. Momotenko.

Herefter kommer fremskridtet

Ved at anvende eksisterende elektroplæderingsteknologier kunne de tilpasse denne metode (positivt ladede kobber-ioner med en negativt ladt elektrode inde i saltløsningen). Ekstrusion-spidsen, som teamet har udviklet, har givet dem mulighed for at 3D-printe på nanoskala, i modsætning til nuværende pulverbaserede 3D-printere, der er begrænsede til mikroskala.

Batteriteknologi er kun det første anvendelsesområde, Dr. Momotenko har andre ambitiøse koncepter i tankerne. Han planlægger at anvende denne printteknologi til at udnytte et yngre felt kaldet spintronik, der sigter mod at manipulere “spin” – en kvantemekanisk egenskab af elektroner.

Han planlægger også at producere sensorer, der kan detektere enkelt-molekyler. Dette vil hjælpe med at detektere Alzheimers sygdom, der er kendt for sin fraktionerede mængde af biomarkører. 

Selv efter udviklingen af denne teknologi, forbliver teamet i ærefrygt over evnen til at skabe objekter, som det menneskelige øje ikke kan se uden hjælp.