Nanoskala-3D-Drucken nähert sich der Realität

Nanoskala-3D-Drucken ist die Fähigkeit, Objekte im Nanomaßstab zu drucken. Als Beispiel gibt es 1.000.000 Nanometer in 1 Millimeter. Um die Größe oder das Fehlen davon besser zu verstehen, sollten wir auf die Größe eines menschlichen Haares verweisen, das 75.000-100.000 Nanometer im Durchmesser hat.

Erforschung des Nano-Maßstabs-3D-Druckens

Diese mikroskopische Skala bietet eine Vielzahl von potenziell industrieverändernden Produkten, von kleineren Computerchips und 1-Stück-Druckplatten bis hin zu nanoskaligen Metallteilen, die schnelleres Laden und Entladen von Batterien ermöglichen.

Dieser Durchbruch wird sowohl die Effizienz als auch die Produktivität kleinerer Teile verbessern.

Branchen wie Mikroelektronik, Nanorobotik und Sensortechnologien können von der Fähigkeit profitieren, auf diesem Nanomaßstab ohne Kompromisse bei der Genauigkeit zu drucken. Derzeit erforschen Universitäten in Amerika verschiedene Möglichkeiten, auf Nanomaßstab zu drucken, während sie die Genauigkeit beibehalten, die ihre jeweiligen Branchen erfordern.

Einige dieser Institute konzentrieren sich auf Fortschritte in der Elektrotechnik, während andere ihre Augen auf Nano-Druckmethoden richten, die photochemische Reaktionen einschließlich der Immobilisierung von Proteinen, Glykanen oder Genen nutzen.

Nanoskalig gedruckte synthetische Materialien und Kunststoffe haben bereits von der Fähigkeit profitiert, auf diesem Maßstab zu drucken, aber erst in den letzten 2-3 Jahren haben Wissenschaftler Durchbrüche bei der genauen Druckung von Metallobjekten auf diesem Maßstab erzielt.

3D-Drucken von Metall auf diesem Maßstab ermöglicht es Wissenschaftlern, Objekte Atom für Atom zu montieren.

Nanoskala-3D-Drucklösungen

Dr. Dmitry Momotenko, der die Junior-Forschungsgruppe am Institut für Chemie leitet, glaubt, dass diese Technologie es seinem Team ermöglichen wird, Batterien zu drucken, die mit Raten aufladen und entladen können, die 1000-mal höher sind als die der aktuellen konkurrierenden Technologien. Einige seiner Aussagen lauten: “Wenn das heute erreicht werden kann, können Elektrofahrzeuge in Sekunden aufgeladen werden”.

Das Ziel ist es, die Wege zwischen den Ionen in der Batteriezelle exponentiell zu verkürzen. Nanoskala-3D-Drucken wird es seinem Team ermöglichen, diese 20 Jahre alte Idee noch einmal zu betrachten, in der Hoffnung, die internen Strukturen von Batterien auf eine Weise drucken zu können, die es den Elektronen ermöglicht, durch die gesamte Zelle zu fließen, anstatt von einer Seite der Zelle zur anderen.

Mit der Fähigkeit, genaue Metallstrukturen bis hinunter zu 25 Mikrometern zu drucken, können sowohl Nanorobotik (Nanomaßstab-Mikrochips) als auch Mikroelektronik gleichermaßen von dieser Technologie profitieren.

Nanoskala-3D-Drucker-Technologien

Die Chemikerin Liaisan Khasanova an der Universität Oldenburg ist damit betraut, die spezielle Düsentippspitze zu erstellen, die zum Drucken im Nanomaßstab erforderlich ist. Sie beginnt mit einem gewöhnlichen Silicaglasrohr, einem 1-mm-dicken Kapillarrohr, das mit einer blauen Flüssigkeit gefüllt ist. Wenn Strom angewandt wird, findet eine Reaktion statt, die in einem lauten Knall endet. Das Rohr wird dann entfernt, und ein Loch, das klein genug ist, um ihre Anforderungen zu erfüllen, wird sichtbar. “Ein Laserstrahl im Gerät erhitzt das Rohr und zieht es auseinander. Dann erhöhen wir plötzlich die Zugkraft, so dass das Glas in der Mitte bricht und eine sehr scharfe Spitze entsteht”, erklärt Khasanova, die an ihrer Promotion in Chemie in der Elektrochemischen Nanotechnologie-Gruppe an der Universität Oldenburg in Deutschland arbeitet.

Im Campus Wechloy der Universität verfügt das Labor über 3 Drucker, die in-house nach ihren exakten Anforderungen gebaut und programmiert werden. Ähnlich wie die heutigen Consumer-3D-Drucker, aber mit einem kleinen Unterschied – der Größe.

Diese Drucker konzentrieren sich auf Genauigkeit, indem sie große Granitbasen mit Schaum verwenden, um die Vibrationen zu reduzieren, die durch den Druckvorgang entstehen. Diese Schritte helfen dabei, den 3D-Drucker genau zu kontrollieren, was zu einer höheren Genauigkeit auf kleineren Maßstäben führt. herkömmliche pulverbasierte Metall-3D-Drucker sind nur in der Lage, Auflösungen im Mikromaßstab zu erreichen, was einem Größenunterschied von 1000-mal entspricht.

Die Umgebung des Druckers wird ebenfalls berücksichtigt, das Team hat die Lichter in ihrem Labor aufgrund der elektromagnetischen Interferenzen berücksichtigt. Sie verwenden batteriebetriebene Lichter, um das elektromagnetische Feld, das von Wechselströmen erzeugt wird, zu isolieren.

Ein kurzer Blick auf Metall-Nanostrukturen

Nano-Maßstab-gedruckte Kunststoffmoleküle können aufgrund ihrer geringen Festigkeit und niedrigeren Wärmebeständigkeit leicht in strukturelle Formen gebracht werden. Die formbare Natur von Kunststoff bietet Wissenschaftlern die Möglichkeit, den Kunststoff in kleinere Formen zu bringen. Diese Leichtigkeit hat zu den meisten der jüngsten Fortschritte in der Drucktechnologie geführt.

Im Vergleich dazu erfordert das 3D-Drucken von Metall auf Nanomaßstab engere Toleranzen und höhere Widerstandsfähigkeit gegen Hitze und Abnutzung. Diese Drucker erfordern neu entwickelte Druckalgorithmen und neu erfundene Druckertipps, um kleine genaue Drucke zu ermöglichen.

Derzeit kann das Team mit Kupfer, Silber, Nickel, Nickel-Mangan und Nickel-Kobalt-Legierungen arbeiten. Dr. Momotenko und ein Team von Forschern konnten erfolgreich Kupfer-Spiral-Säulen mit einer Größe von 25 Nanometern oder 195 Kupferatomen im Rahmen ihrer Studien, die im Journal of Nanotechnologies im Jahr 2021 veröffentlicht wurden, herstellen. Mit einer von Dr. Momotenko und seinem Kollegen Julian Hengsteler entwickelten Methode wird ein Rückkopplungsmechanismus in Verbindung mit dem Extrusionskopf verwendet, um den Rückzugsprozess zu steuern, der erforderlich ist, um zu verhindern, dass die Düse während des Druckens fest wird. Die Drucke nehmen Form an, eine Schicht nach der anderen, mit Geschwindigkeiten von einigen Nanometern pro Sekunde.

3D-gedruckte Nanoskala-Kupfer-Säulen. Foto: Nano Letters.

Zeit ist von entscheidender Bedeutung

Das Drucken von flachen Spiralobjekten eignet sich gut für die Fortschritte in der Batteriespeicherung und -produktion. Es kontrolliert die Nanostrukturen auf eine Weise, die es den Protonen ermöglicht, schnell und gleichmäßig durch die Batterie zu fließen. Dies führt zu verbesserter Batterieladegeschwindigkeit und -entladegeschwindigkeit.

Dies wird Branchen zugute kommen, die auf Energiespeicherung angewiesen sind, von Elektrofahrzeug-Batterien bis hin zu abgelegenen Häusern oder den Speicheranforderungen von Daten-Server-Farmen, die aufgrund eines Stromnetz-Ausfalls nie offline gehen dürfen.

Zuerst kommt das Risiko

Um die Risiken im Zusammenhang mit der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien zu minimieren, werden spezielle abgedichtete Kammern mit einem positiven Druck inertem Argon-Gas gefüllt. Die Kammer ist 10 Fuß lang und wiegt fast 1000 Pfund.

Wie wird die Batterie die von ihr erzeugte Wärme bewältigen, wenn sie auf volle Kapazität aufgeladen wird? “Einerseits arbeiten wir an der Chemie, die erforderlich ist, um aktive Elektrodenmaterialien im Nanomaßstab herzustellen; andererseits versuchen wir, die Drucktechnologie an diese Materialien anzupassen”, sagt Dr. Momotenko.

Dann kommt der Fortschritt

Indem sie auf bestehende Galvanotechniken zurückgreifen, konnten sie diese Methode (positiv geladene Kupferionen mit einer negativ geladenen Elektrode in der Salzlösung) anpassen. Die Extrusion-Tip, den das Team entwickelt hat, ermöglicht es ihnen, im Nanomaßstab zu drucken, im Vergleich zu herkömmlichen pulverbasierten 3D-Druckern, die auf Mikromaßstab beschränkt sind.

Batterietechnologie ist nur der erste Anwendungsfall, Dr. Momotenko hat andere kühne Konzepte im Sinn. Er plant, diese Drucktechnologie zu nutzen, um von einem jüngeren Feld namens Spintronik zu profitieren, das darauf abzielt, den “Spin” – eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen – zu manipulieren.

Er plant auch, Sensoren herzustellen, die in der Lage sind, einzelne Moleküle zu erkennen. Dies würde bei der Erkennung von Alzheimer helfen, das für seine geringen Biomarker-Mengen bekannt ist.

Selbst nach der Entwicklung dieser Technologie bleibt das Team in Erstaunen über die Fähigkeit, Objekte zu erstellen, die das menschliche Auge ohne Hilfe nicht sehen kann.