Η εκτύπωση 3D σε νανοκλίμακα approached την 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 ενός ανθρώπινου μαλλιού, 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 μικρότερες ηλεκτρονικές πλακέτες και 1 εκτυπωμένες ηλεκτρονικές πλακέτες σε νανοκλίμακα μέχρι νανομεταλλικές частини 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 ερευνών verschiedene 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 έχουν τα μάτια τους στη νανοεκτύπωση μεθόδων που χρησιμοποιούν φωτοχημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της ακαμψίας των 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 ατόμο προς άτομο. 

Λύσεις εκτύπωσης 3D σε νανοκλίμακα 

Ο Δρ. Dmitry Momotenko, ο οποίος ηγείται της ομάδας ερευνών στο Ινστιτούτο Χημείας, πιστεύει ότι αυτή η τεχνολογία θα επιτρέψει στην ομάδα του να εκτυπώσει μπαταρίες που μπορούν να φορτιστούν και να εκφορτιστούν με ρυθμούς που υπερβαίνουν τους 1000x τα τρέχοντα ανταγωνιστικά 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缩ριστεί εκθετικά οι διαδρομές 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 στους ηλεκτρόνες να περνούν από όλη τη κυψέλη同時, 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 (νανομεταλλικές μικροπλακέτες) όσο και η μικροηλεκτρονική θα επωφεληθούν εξίσου από αυτή τη τεχνολογία.

Τεχνολογίες εκτυπωτών 3D σε νανοκλίμακα 

Ο χημικός Liaisan Khasanova στο Πανεπιστήμιο του Oldenburg έχει αναλάβει να δημιουργήσει την ειδική نوζλ που απαιτείται για την εκτύπωση σε νανοκλίμακα. Ξεκινώντας με ένα συνηθισμένο γυάλινο σωλήνα, ένας σωλήνας με διάμετρο 1 mm εισάγεται με ένα μπλε υγρό. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα, συμβαίνει μια αντίδραση που οδηγεί σε einen μεγάλο θόρυβο. Ο σωλήνας αφαιρείται, αποκαλύπτοντας ένα отверстие αρκετά μικρό για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις τους. “Ένας laser inside του συσκευής θερμαίνει τον σωλήνα και τον τραβάει απότομα. Στη συνέχεια, αυξάνουμε απότομα τη δυσκαμψία, ώστε το γυάλινο να σπάσει στη μέση και να σχηματιστεί ένα πολύ οξύ άκρο,” εξηγεί ο Khasanova, ο οποίος εργάζεται για το διδακτορικό του στη χημεία στην Ομάδα Ηλεκτροχημικής Νανοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Oldenburg, Γερμανία.

Στο campus 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 από πούδρα για να βοηθήσουν στη μείωση των δονήσεων που δημιουργούνται από τη διαδικασία εκτύπωσης. Αυτά τα βήματα βοηθούν στην 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 cũng λαμβάνεται υπόψη, η ομάδα έχει λάβει υπόψη τα φώτα στο εργαστήριό τους λόγω της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής. Χρησιμοποιούν μπαταρίας-κίνητα φώτα για να βοηθήσουν στην απομόνωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που παράγεται από τις εναλλασσόμενες ροές.

Μια μικρή ματιά στις μεταλλικές νανοδομές

Τα νανοεκτυπωμένα συνθετικά μόρια είναι εύκολα χειριστά σε δομικές μορφές λόγω της έλλειψης δύναμης 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 στενότερες αντοχές και υψηλότερη αντοχή στη θερμότητα και την φθορά. Αυτοί οι εκτυπωτές απαιτούν πρόσφατες προόδους από τις βελτιωμένες αλγορίθμους εκτύπωσης μέχρι τις ανακατασκευασμένες نوζλ 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 χαλκούς σπείρες 25 νανομέτρων ή 195 άτομα χαλκού σε μέγεθος作为 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, ένα μηχανισμό ανατροφοδότησης χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με το κεφάλι εξαγωγής για να μεσολαβήσει τη διαδικασία ανασρόφησης που απαιτείται για να αποτρέψει την نوζλ από το να στερεοποιηθεί στη μέση της εκτύπωσης. Οι εκτυπώσεις λαμβάνουν μορφήの一.layer την φορά σε ταχύτητες quelques νανομέτρων το δευτερόλεπτο. 

3D εκτύπωση νανομετρικών χαλκών σπείρων. Φωτογραφία από Nano Letters.

Ο χρόνος είναι της ουσίας

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

Αυτό θα επωφελήσει τις βιομηχανίες που εξαρτώνται από την αποθήκευση ενέργειας, από τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, μέχρι τις εξοχικές κατοικίες ή τις απαιτήσεις αποθήκευσης 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, ειδικές κλειστές θαλάμους γεμίζονται με αργό αέριο υπό πίεση. Μεγέθους για να φιλοξενήσουν τον εκτυπωτή σε ένα αδρανή 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 σε πλήρη ικανότητα; “Από την μια πλευρά, εργαζόμαστε στη χημεία που απαιτείται για την παραγωγή ενεργών 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 ηλεκτροπλακώματος, κατάφεραν να προσαρμόσουν αυτή τη μέθοδο (θετικά φορτισμένα ιόντα χαλκού με αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο μέσα στη λύση αλατιού). Η νوزλ 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 концепσεις 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 την “σπίν” – μια κβαντική ιδιοκτησία 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 κλασματικές ποσότητες των βιοδείκτων. 

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.