Η τρισδιάστατη εκτύπωση σε νανοκλίμακα πλησιάζει στην πραγματικότητα

Η εκτύπωση 3D σε νανοκλίμακα είναι η ικανότητα να εκτυπώνουμε αντικείμενα που μετρώνται σε νανομέτρα. Για παράδειγμα, υπάρχουν 1.000.000 νανομέτρα σε 1 χιλιοστό. Για να κατανοήσουμε καλύτερα το μέγεθος ή την έλλειψη αυτού, πρέπει να αναφερθούμε στο μέγεθος μιας ανθρώπινης τρίχας, το οποίο είναι 75.000-100.000 νανομέτρα σε διάμετρο.

Εξερεύνηση της εκτύπωσης 3D σε νανοκλίμακα

Αυτή η μικροσκοπική κλίμακα φιλοξενεί μια σειρά από προϊόντα που μπορούν να ανατρέψουν την βιομηχανία, από μικρότερα τσιπ υπολογιστών και πλακέτες υπολογιστών εκτυπωμένες ως ένα ενιαίο κομμάτι μέχρι νανομεταλλικά εξαρτήματα που επιτρέπουν ταχύτερη φόρτιση και εκφόρτιση μπαταριών.

Αυτή η καινοτομία θα βελτιώσει την αποτελεσματικότητα και θα αυξήσει την παραγωγικότητα των μικρότερων μερών.

Βιομηχανίες όπως η μικροηλεκτρονική, η νανορομποτική και οι τεχνολογίες αισθητήρων θα επωφεληθούν από την ικανότητα να δημιουργούν σε τέτοια νανοκλίμακα χωρίς να επηρεάζουν την ακρίβεια. Αυτή τη στιγμή, πανεπιστήμια στην Αμερική ερευνούν διαφορετικούς τρόπους για να εκτυπώσουν σε νανοκλίμακα ενώ διατηρούν την ακρίβεια που απαιτούν οι αντίστοιχες βιομηχανίες.

Πολλά από αυτά τα ιδρύματα επικεντρώνονται στις προόδους στις ηλεκτρικές τεχνολογίες, ενώ άλλα επικεντρώνονται σε μεθόδους νανοεκτύπωσης που χρησιμοποιούν φωτοχημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της ακινητοποίησης πρωτεϊνών, γλυκανών ή γονιδίων. 

Τα νανοεκτυπωμένα συνθετικά υλικά και πλαστικά έχουν επωφεληθεί από την ικανότητα να εκτυπώνουν σε αυτή τη κλίμακα, είναι μόνο τα τελευταία 2-3 χρόνια που οι επιστήμονες έχουν κάνει προόδους στην εκτύπωση μεταλλικών αντικειμένων με ακρίβεια σε αυτό το μέγεθος.

Η εκτύπωση 3D μετάλλων σε αυτή τη κλίμακα επιτρέπει στους επιστήμονες να συναρμολογούν ένα αντικείμενο άτομο προς άτομο. 

Λύσεις εκτύπωσης 3D σε νανοκλίμακα 

Ο Δρ. Dmitry Momotenko, ο οποίος ηγείται της ομάδας νέων ερευνητών στο Ινστιτούτο Χημείας, πιστεύει ότι αυτή η τεχνολογία θα επιτρέψει στην ομάδα του να εκτυπώσει τρισδιάστατα μπαταρίες που μπορούν να φορτιστούν και να εκφορτιστούν με ρυθμούς πάνω από 1.000 φορές ταχύτερους από τις τρέχουσες ανταγωνιστικές τεχνολογίες. Κάποιες από τις δηλώσεις του περιλαμβάνουν: “Εάν αυτό μπορεί να επιτευχθεί σήμερα, τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να φορτιστούν μέσα σε δευτερόλεπτα”.

Ο στόχος είναι να μειωθεί εκθετικά το μήκος των διαδρομών μεταξύ των ιόντων στη μπαταρία. Η εκτύπωση 3D σε νανοκλίμακα θα επιτρέψει στην ομάδα του να επανεξετάσει αυτή τη 20χρονη ιδέα, με την ελπίδα να μπορέσει να εκτυπώσει τις εσωτερικές δομές των μπαταριών με τρόπο που θα επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να περνούν από όλη τη κυψέλη ταυτόχρονα, αντί να περνούν από την μια πλευρά της κυψέλης στην άλλη.

Με την ικανότητα να εκτυπώνουν ακριβώς μεταλλικές δομές μέχρι τα 25 μικρόμετρα, τόσο η νανορομποτική (μικροτσίπ νανοκλίμακας) όσο και η μικροηλεκτρονική θα επωφεληθούν εξίσου από αυτή τη τεχνολογία.

Τεχνολογίες εκτυπωτών 3D σε νανοκλίμακα 

Η χημικός Liaisan Khasanova στο Πανεπιστήμιο του Oldenburg έχει αναλάβει να δημιουργήσει το ειδικό ακροφύσιο που απαιτείται για την εκτύπωση σε νανοκλίμακα. Ξεκινώντας με έναν συνηθισμένο σωλήνα από γυαλί πυριτίας, εισάγεται μπλε υγρό σε έναν τριχοειδή σωλήνα πάχους 1 mm. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα, συμβαίνει μια αντίδραση που οδηγεί σε έναν δυνατό κρότο. Ο σωλήνας αφαιρείται, αποκαλύπτοντας ένα άνοιγμα αρκετά μικρό για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις τους. “Μια δέσμη λέιζερ στο εσωτερικό της συσκευής θερμαίνει τον σωλήνα και τον τεντώνει. Στη συνέχεια, αυξάνουμε απότομα την εφελκυστική δύναμη, ώστε το γυαλί να σπάσει στη μέση και να σχηματιστεί μια πολύ αιχμηρή άκρη,” εξηγεί η Khasanova, η οποία εκπονεί το διδακτορικό της στη χημεία στην Ομάδα Ηλεκτροχημικής Νανοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Oldenburg, Γερμανία.

Στην πανεπιστημιούπολη Wechloy του Πανεπιστημίου, το εργαστήριο διαθέτει 3 εκτυπωτές που έχουν κατασκευαστεί και προγραμματιστεί εσωτερικά σύμφωνα με τις αυστηρές προδιαγραφές τους. Παρόμοιοι με τους σημερινούς καταναλωτικούς εκτυπωτές 3D, αλλά με μια μικρή διαφορά – το μέγεθος.

Αυτοί οι εκτυπωτές επικεντρώνονται στην ακρίβεια, χρησιμοποιώντας μεγάλες βάσεις από γρανίτη με στρώμα αφρώδους υλικού για να βοηθήσουν στη μείωση των δονήσεων που δημιουργούνται από τη διαδικασία εκτύπωσης. Αυτά τα βήματα βοηθούν στον ακριβή έλεγχο του εκτυπωτή 3D, οδηγώντας σε υψηλότερη ακρίβεια σε μικρότερες κλίμακες. Οι συμβατικοί εκτυπωτές 3D με βάση τη σκόνη μετάλλου μπορούν να φτάσουν μόνο σε επίπεδο μικρομέτρου, μια διαφορά μεγέθους 1000x.  

Το περιβάλλον του εκτυπωτή επίσης λαμβάνεται υπόψη, η ομάδα έχει λάβει υπόψη τα φώτα στο εργαστήριό τους λόγω της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής. Χρησιμοποιούν φώτα που τροφοδοτούνται από μπαταρίες για να βοηθήσουν στην απομόνωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που παράγεται από τα εναλλασσόμενα ρεύματα.

Μια μικρή ματιά στις μεταλλικές νανοδομές

Τα πλαστικά μόρια που εκτυπώνονται σε νανοκλίμακα διαμορφώνονται εύκολα σε δομές λόγω της χαμηλής αντοχής τους και της χαμηλότερης αντοχής στη θερμότητα. Η εύκαμπτη φύση του πλαστικού προσφέρει στους επιστήμονες την ικανότητα να χειρίζονται το πλαστικό σε μικρότερες μορφές. Αυτή η ευκολία χρήσης έχει οδηγήσει στις περισσότερες πρόσφατες προόδους στην τεχνολογία εκτύπωσης.

Σε σύγκριση, η εκτύπωση 3D μετάλλων σε νανοκλίμακα απαιτεί μικρότερες ανοχές και υψηλότερη αντοχή στη θερμότητα και την φθορά. Αυτοί οι εκτυπωτές απαιτούν πρόσφατες προόδους από τους βελτιωμένους αλγορίθμους εκτύπωσης μέχρι τα ανακατασκευασμένα ακροφύσια για να επιτρέψουν τις μικρές ακριβείς εκτυπώσεις. 

Σήμερα, η ομάδα είναι σε θέση να εργαστεί με χαλκό, άργυρο, νικέλιο, νικέλιο-μαγγάνιο και νικέλιο-κοβάλτιο κράματα. Ο Δρ. Momotenko και μια ομάδα ερευνητών κατάφεραν να δημιουργήσουν σπειροειδείς στήλες χαλκού μεγέθους 25 νανομέτρων, δηλαδή 195 ατόμων χαλκού ως μέρος των μελετών τους που δημοσιεύθηκαν στο Journal of Nanotechnologies το 2021. Χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που δημιουργήθηκε από τον Δρ. Momotenko και τον συνάδελφό του Julian Hengsteler, ένας μηχανισμός ανατροφοδότησης χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την κεφαλή εξώθησης για τη ρύθμιση της διαδικασίας ανάσυρσης που απαιτείται για να αποτρέψει το ακροφύσιο από το να στερεοποιηθεί στη μέση της εκτύπωσης. Οι εκτυπώσεις λαμβάνουν μορφή ένα στρώμα τη φορά σε ταχύτητες μερικών νανομέτρων το δευτερόλεπτο. 

3D εκτύπωση στηλών χαλκού σε νανοκλίμακα. Φωτογραφία από Nano Letters.

Ο χρόνος είναι καθοριστικός

Η εκτύπωση επίπεδων σπειροειδών αντικειμένων ευνοεί τις προόδους της αποθήκευσης μπαταριών και της παραγωγής. Ελέγχει τις νανοδομές με τρόπο που επιτρέπει στα πρωτόνια να περνούν από τη μπαταρία γρήγορα και ομοιόμορφα. Αυτό οδηγεί σε ενισχυμένες ταχύτητες φόρτισης και εκφόρτισης μπαταριών.

Αυτό θα ωφελήσει τις βιομηχανίες που εξαρτώνται από την αποθήκευση ενέργειας, από τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, μέχρι κατοικίες εκτός ηλεκτρικού δικτύου ή τις ανάγκες αποθήκευσης ενέργειας συστοιχιών διακομιστών δεδομένων που δεν μπορούν ποτέ να απενεργοποιηθούν λόγω αποτυχίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας.

Πρώτα έρχεται ο κίνδυνος

Για να μετριάσει τους κινδύνους που σχετίζονται με την παραγωγή μπαταριών λιθίου-ιόντων, ειδικοί σφραγισμένοι θάλαμοι γεμίζονται με αδρανές αέριο αργό υπό θετική πίεση. Σχεδιασμένος ώστε να φιλοξενεί τον εκτυπωτή σε αδρανές περιβάλλον, ο θάλαμος έχει μήκος 10 ποδιών και ζυγίζει σχεδόν 1000 λίβρες.

Πώς θα διαχειριστεί η μπαταρία τη θερμότητα που παράγεται από την αντίδρασή της όταν φορτιστεί στην πλήρη χωρητικότητά της; “Από την μια πλευρά, εργαζόμαστε στη χημεία που απαιτείται για την παραγωγή ενεργών υλικών ηλεκτροδίων σε νανοκλίμακα· από την άλλη, προσπαθούμε να προσαρμόσουμε την τεχνολογία εκτύπωσης σε αυτά τα υλικά,” λέει ο Δρ. Momotenko.

Στη συνέχεια έρχεται η πρόοδος

Βάσει των υφιστάμενων τεχνολογιών ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, κατάφεραν να προσαρμόσουν αυτή τη μέθοδο (θετικά φορτισμένα ιόντα χαλκού με αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο μέσα σε αλατούχο διάλυμα). Το ακροφύσιο που ανέπτυξε η ομάδα τους έχει επιτρέψει την εκτύπωση 3D σε νανοκλίμακα, σε σύγκριση με τους τρέχοντες εκτυπωτές 3D με βάση τη σκόνη που περιορίζονται σε μικρόμετρα.

Η τεχνολογία μπαταριών είναι μόνο η πρώτη περίπτωση χρήσης, ο Δρ. Momotenko έχει άλλες τολμηρές ιδέες στο μυαλό του. Σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει αυτή τη τεχνολογία εκτύπωσης για να επωφεληθεί από ένα νεότερο πεδίο που ονομάζεται σπιντρονική, η οποία στοχεύει στην ικανότητα να χειρίζεται το «σπιν» — μια κβαντομηχανική ιδιότητα των ηλεκτρονίων.

Σχεδιάζει επίσης να κατασκευάσει αισθητήρες που είναι ικανοί να ανιχνεύουν μεμονωμένα μόρια. Αυτό θα βοηθήσει στην ανίχνευση της νόσου Alzheimer, που είναι γνωστή για τις απειροελάχιστες ποσότητες των βιοδεικτών της. 

Ακόμη και μετά την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας, η ομάδα παραμένει σε κατάσταση θαυμασμού για την ικανότητα να δημιουργούν αντικείμενα που το ανθρώπινο μάτι δεν είναι ικανό να δει χωρίς βοήθεια.