Η τρισδιάστατη εκτύπωση σε νανοκλίμακα πλησιάζει την πραγματικότητα

Η τρισδιάστατη εκτύπωση σε νανοκλίμακα είναι η δυνατότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης αντικειμένων που μετρώνται σε νανόμετρα. Για παράδειγμα, υπάρχουν 3 νανόμετρα σε 3 χιλιοστό. Για να κατανοήσουμε καλύτερα το μέγεθος ή την έλλειψή του, θα πρέπει να αναφερθούμε στο μέγεθος μιας ανθρώπινης τρίχας, που έχει διάμετρο 1,000,000-1 νανόμετρα.

Εξερευνώντας την τρισδιάστατη εκτύπωση σε νανοκλίμακα

Αυτός ο οικοδεσπότης μικροσκοπικής κλίμακας διαθέτει μια σειρά από πιθανά προϊόντα που προκαλούν αναστάτωση στη βιομηχανία, από μικρότερα τσιπ υπολογιστών και τυπωμένες πλακέτες υπολογιστή 1 κομματιού έως μεταλλικά μέρη νανοκλίμακας που δίνουν τη θέση τους σε ταχύτερες δυνατότητες φόρτισης/εκφόρτισης μπαταριών.

Αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα βελτιώσει την απόδοση και θα αυξήσει την παραγωγικότητα μικρότερων εξαρτημάτων.

Βιομηχανίες όπως η μικροηλεκτρονική, η νανορομποτική και οι τεχνολογίες αισθητήρων επωφελούνται από την ικανότητα δημιουργίας σε τέτοια νανοκλίμακα χωρίς να διακυβεύεται η ακρίβεια. Αυτή τη στιγμή πανεπιστήμια σε όλη την Αμερική ερευνούν διαφορετικούς τρόπους εκτύπωσης σε νανοκλίμακα, διατηρώντας παράλληλα την ακρίβεια που απαιτούν οι αντίστοιχες βιομηχανίες τους.

Αρκετά από αυτά τα ινστιτούτα εστιάζουν στις εξελίξεις στις ηλεκτρικές τεχνολογίες, ενώ άλλα έχουν στραμμένο το βλέμμα τους σε μεθόδους νανο-εκτύπωσης που χρησιμοποιούν φωτοχημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της ακινητοποίησης πρωτεϊνών, γλυκανών ή γονιδίων. 

Τα τυπωμένα συνθετικά υλικά και τα πλαστικά νανοκλίμακας έχουν επωφεληθεί από καιρό από την ικανότητα εκτύπωσης σε αυτή την κλίμακα, μόνο τα προηγούμενα 2-3 χρόνια οι επιστήμονες έχουν κάνει ανακαλύψεις στην εκτύπωση μεταλλικών αντικειμένων με ακρίβεια αυτού του μεγέθους.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλου σε αυτή την κλίμακα επιτρέπει στους επιστήμονες να συναρμολογούν ένα αντικείμενο άτομο προς άτομο. 

Λύσεις τρισδιάστατης εκτύπωσης σε νανοκλίμακα 

Ο Δρ Ντμίτρι Μομοτένκο, ο οποίος ηγείται της νεανικής ερευνητικής ομάδας στο Ινστιτούτο Χημείας, πιστεύει ότι αυτή η τεχνολογία θα επιτρέψει στην ομάδα του να εκτυπώσει τρισδιάστατες μπαταρίες που μπορούν να επαναφορτιστούν και να αποφορτιστούν με ρυθμούς άνω των 3 φορές πιο γρήγορα από τις τρέχουσες ανταγωνιστικές τεχνολογίες. Μερικές από τις δηλώσεις του περιλαμβάνουν: "Αν αυτό μπορεί να επιτευχθεί σήμερα, το EV'S μπορεί να φορτιστεί μέσα σε δευτερόλεπτα".

Ο στόχος είναι να συντομεύσει εκθετικά τις οδούς μεταξύ των ιόντων στο στοιχείο της μπαταρίας. Η τρισδιάστατη εκτύπωση σε νανοκλίμακα θα επιτρέψει στην ομάδα του να επανεξετάσει αυτήν την ιδέα 3 ετών με την ελπίδα ότι θα μπορέσει να εκτυπώσει τρισδιάστατα τις εσωτερικές δομές των μπαταριών με τρόπο που να επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να περνούν από ολόκληρο το κύτταρο ταυτόχρονα, αντί να πρέπει να περάσουν από ένα πλευρά του κελιού προς την άλλη.

Με δυνατότητα ακριβούς εκτύπωσης μεταλλικών κατασκευών έως 25 microns και τα δύο nΤα ανορομποτικά (μικροτσίπ νανοκλίμακας) και τα μικροηλεκτρονικά επωφελούνται εξίσου από αυτή την τεχνολογία.

Τεχνολογίες τρισδιάστατων εκτυπωτών νανοκλίμακας 

Ο χημικός Liaisan Khasanova στο Πανεπιστήμιο του Oldenburg έχει ως αποστολή τη δημιουργία του εξειδικευμένου ακροφυσίου που απαιτείται για την εκτύπωση σε νανοκλίμακα. Ξεκινώντας με έναν συνηθισμένο γυάλινο σωλήνα πυριτίου, εισάγεται ένας τριχοειδής σωλήνας πάχους 1 mm με ένα μπλε υγρό. Μόλις εφαρμοστεί ηλεκτρισμός λαμβάνει χώρα μια αντίδραση με αποτέλεσμα ένα δυνατό κρότο. Στη συνέχεια, ο σωλήνας αφαιρείται αποκαλύπτοντας μια τρύπα αρκετά μικρή ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις τους. «Μια ακτίνα λέιζερ μέσα στη συσκευή θερμαίνει τον σωλήνα και τον απομακρύνει. Στη συνέχεια, αυξάνουμε ξαφνικά τη δύναμη εφελκυσμού, έτσι ώστε το γυαλί να σπάσει στη μέση και να σχηματιστεί μια πολύ αιχμηρή άκρη.» εξηγεί η Khasanova, η οποία εργάζεται στο Ph.D. στη χημεία στον Όμιλο Ηλεκτροχημικής Νανοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο του Oldenburg, Γερμανία.

Στο Πανεπιστήμιο Wechloy πανεπιστημιούπολη, το εργαστήριο διαθέτει 3 εκτυπωτές που κατασκευάζονται και προγραμματίζονται εσωτερικά σύμφωνα με τα αυστηρά πρότυπα τους. Παρόμοιο σε ιδέα με τους σημερινούς καταναλωτικούς τρισδιάστατους εκτυπωτές, αλλά με μια μικρή διαφορά - το μέγεθος.

Αυτοί οι εκτυπωτές επικεντρώνονται στην ακρίβεια, χρησιμοποιώντας μεγάλες βάσεις από γρανίτη με στρώση αφρού για να βοηθήσουν στη μείωση των κραδασμών που δημιουργούνται από τη διαδικασία εκτύπωσης. Αυτά τα βήματα βοηθούν στον ακριβή έλεγχο του 3D εκτυπωτή με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ακρίβεια σε μικρότερες κλίμακες. Οι συμβατικοί τρισδιάστατοι εκτυπωτές μετάλλων με βάση την πούδρα έχουν μόνο αναλύσεις σε επίπεδο micron, με διαφορά μεγέθους 3x.  

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

Μια μικρή ματιά στις μεταλλικές νανοδομές

Τα εκτυπωμένα πλαστικά μόρια σε νανοκλίμακα μετατρέπονται εύκολα σε δομικά σχήματα λόγω της έλλειψης αντοχής και των χαμηλότερων ανοχών στη θερμότητα. Η εύπλαστη φύση του πλαστικού προσφέρει στους επιστήμονες τη δυνατότητα να χειριστούν το πλαστικό σε μικρότερα σχήματα. Αυτή η ευκολία χρήσης είχε ως αποτέλεσμα τις περισσότερες από τις πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία εκτύπωσης.

Συγκριτικά, η τρισδιάστατη εκτύπωση σε νανοκλίμακα μετάλλων απαιτεί αυστηρότερες ανοχές και μεγαλύτερη αντοχή τόσο στη θερμότητα όσο και στη φθορά. Αυτοί οι εκτυπωτές χρειάζονταν πρόσφατες εξελίξεις από εκλεπτυσμένους αλγόριθμους εκτύπωσης σε εκ νέου εφευρεθείσες συμβουλές για εκτυπωτές για να επιτρέψουν μικρές ακριβείς εκτυπώσεις. 

Επί του παρόντος, η ομάδα είναι σε θέση να εργαστεί με κράματα χαλκού, αργύρου, νικελίου, νικελίου-μαγγανίου και νικελίου-κοβαλτίου. Ο Δρ Momotenko και μια ομάδα ερευνητών κατάφεραν να δημιουργήσουν χάλκινες σπειροειδείς στήλες μεγέθους 25 νανόμετρων ή 195 ατόμων χαλκού ως μέρος των μελετών τους που δημοσιεύθηκαν στο Journal of Nanotechnologies το 2021. Χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που δημιουργήθηκε από τον Dr. Momotenko και τον συνάδελφό του Julian Hengsteler, χρησιμοποιείται ένας μηχανισμός ανάδρασης σε συνδυασμό με την κεφαλή εξώθησης για να μεσολαβήσει στη διαδικασία ανάκλησης που απαιτείται για να αποτραπεί η στερεοποίηση του ακροφυσίου στη μέση εκτύπωση. Οι εκτυπώσεις παίρνουν σχήμα ένα στρώμα τη φορά με ταχύτητες μερικών νανόμετρων ανά δευτερόλεπτο. 

Τρισδιάστατες στήλες χαλκού νανοκλίμακας εκτύπωσης. Πίστωση φωτογραφίας σε Nano γράμματα.

Ο χρόνος είναι η ουσία

Η εκτύπωση επίπεδων σπειροειδών αντικειμένων συμβάλλει στην πρόοδο της αποθήκευσης και παραγωγής μπαταριών. Ελέγχει τις νανοδομές με τρόπο που επιτρέπει στα πρωτόνια να περνούν μέσα από την μπαταρία γρήγορα και ομοιόμορφα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα βελτιωμένους ρυθμούς φόρτισης και αποφόρτισης των μπαταριών.

Αυτό θα ωφελήσει τις βιομηχανίες που εξαρτώνται από την αποθήκευση ενέργειας, από μπαταρίες EV, έως σπίτια εκτός δικτύου ή τις απαιτήσεις αποθήκευσης των εκμεταλλεύσεων διακομιστών δεδομένων που δεν μπορούν ποτέ να βγουν εκτός σύνδεσης λόγω βλάβης του δικτύου ηλεκτροδότησης.

Πρώτα έρχεται το ρίσκο

Για τον μετριασμό των κινδύνων που συνδέονται με την παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου, οι εξειδικευμένοι σφραγισμένοι θάλαμοι γεμίζουν με αδρανές αέριο αργού θετικής πίεσης. Με μέγεθος ώστε να φιλοξενεί τον εκτυπωτή σε αδρανές περιβάλλον, ο θάλαμος έχει μήκος 10 πόδια και ζυγίζει σχεδόν 1000 λίβρες.

Πώς θα διαχειριστεί η μπαταρία τη θερμότητα που παράγεται από την αντίδρασή της όταν φορτιστεί σε πλήρη χωρητικότητα; «Από τη μία πλευρά, εργαζόμαστε στη χημεία που απαιτείται για την παραγωγή υλικών ενεργών ηλεκτροδίων σε νανοκλίμακα. Από την άλλη, προσπαθούμε να προσαρμόσουμε την τεχνολογία εκτύπωσης σε αυτά τα υλικά.» λέει ο γιατρός Momotenko.

Μετά έρχεται η πρόοδος

Βασιζόμενοι στις υπάρχουσες τεχνολογίες ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης κατάφεραν να προσαρμόσουν αυτή τη μέθοδο (θετικά φορτισμένα ιόντα χαλκού με αρνητικό φορτισμένο ηλεκτρόδιο μέσα στο διάλυμα άλατος). ο εξώθηση Η συμβουλή που ανέπτυξε η ομάδα τους επέτρεψε να εκτυπώνουν 3D σε νανοκλίμακα, σε σύγκριση με τους τρέχοντες τρισδιάστατους εκτυπωτές που βασίζονται σε σκόνη που περιορίζονται στα μικρά.

Η τεχνολογία μπαταριών είναι μόνο η πρώτη περίπτωση χρήσης, ο Δρ Momotenko έχει στο μυαλό του άλλες τολμηρές ιδέες. Σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει αυτήν την τεχνολογία εκτύπωσης για να αξιοποιήσει ένα νεότερο πεδίο που ονομάζεται σπιντρονική, το οποίο στοχεύει στην ικανότητα χειρισμού του «σπιν» - μιας κβαντικής μηχανικής ιδιότητας των ηλεκτρονίων.

Σχεδιάζει επίσης να κατασκευάσει αισθητήρες ικανούς να ανιχνεύουν μεμονωμένα μόρια. Αυτό θα βοηθούσε στην ανίχνευση του Αλτσχάιμερ, διαβόητο για τις κλασματικές του ποσότητες βιοδεικτών. 

Ακόμη και μετά την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας, η ομάδα παραμένει με δέος για την ικανότητα να δημιουργεί αντικείμενα που το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να δει χωρίς βοήθεια.