La impresión 3D a nanoescala se está acercando a la realidad

La impresión 3D a nanoescala es la capacidad de imprimir objetos 3D medidos en nanómetros. Como ejemplo, hay 1,000,000 de nanómetros en 1 milímetro. Para comprender mejor el tamaño o la falta del mismo, debemos hacer referencia al tamaño de un cabello humano, que tiene un diámetro de 75,000 100,000 a XNUMX XNUMX nanómetros.

Explorando la impresión 3D a escala nanométrica

Este host de escala microscópica es una variedad de productos que podrían alterar la industria, desde chips de computadora más pequeños y placas de computadora impresas de 1 pieza hasta piezas de metal a nanoescala que dan paso a capacidades de carga/descarga más rápidas para las baterías.

Este avance mejorará la eficiencia y aumentará la productividad de las piezas más pequeñas.

Industrias como la microelectrónica, la nanorobótica y las tecnologías de sensores se beneficiarán de la capacidad de crear a nanoescala sin comprometer la precisión. En este momento universidades en todo Estados Unidos están investigando diferentes formas de imprimir a escala nanométrica manteniendo la precisión que requieren sus respectivas industrias.

Varios de estos institutos se centran en los avances en tecnologías eléctricas, mientras que otros tienen la vista puesta en métodos de nanoimpresión que utilizan reacciones fotoquímicas, incluida la inmovilización de proteínas, glicanos o genes. 

Los materiales sintéticos y plásticos impresos a nanoescala se han beneficiado durante mucho tiempo de la capacidad de imprimir a esta escala, solo en los 2 o 3 años anteriores los científicos han logrado avances en la impresión de objetos metálicos con precisión a este tamaño.

La impresión 3D de metal a esta escala permite a los científicos ensamblar un objeto átomo por átomo. 

Soluciones de impresión 3D a nanoescala 

Dr. Dmitri Momotenko, quien lidera el grupo de investigación junior en el Instituto de Química, cree que esta tecnología permitirá a su equipo imprimir en 3D baterías que pueden recargarse y descargarse a velocidades 1000 veces más rápidas que las tecnologías actuales de la competencia. Algunas de sus declaraciones incluyen: “Si eso se puede lograr hoy, los EV'S se pueden cargar en segundos”.

El objetivo es acortar exponencialmente las vías entre los iones en la celda de la batería. La impresión 3D a nanoescala permitirá a su equipo revisar esta idea de hace 20 años con la esperanza de poder imprimir en 3D las estructuras internas de las baterías de una manera que permita que los electrones atraviesen toda la celda a la vez, en lugar de tener que pasar a través de una. lado de la celda al otro.

Con la capacidad de imprimir con precisión estructuras metálicas de hasta 25 micras tanto nLa anorrobótica (microchips a nanoescala) y la microelectrónica se beneficiarán por igual de esta tecnología.

Tecnologías de impresoras 3D a nanoescala 

La química Liaisan Khasanova en la Universidad de Oldenburg tiene la tarea de crear la punta de boquilla especializada necesaria para imprimir a nanoescala. Comenzando con un tubo de vidrio de sílice común, se inserta un tubo capilar de 1 mm de espesor con un líquido azul. Una vez que se aplica electricidad, se produce una reacción que resulta en un fuerte estallido. Luego se retira el tubo y se revela un orificio lo suficientemente pequeño para cumplir con sus requisitos. “Un rayo láser dentro del dispositivo calienta el tubo y lo separa. Luego, repentinamente aumentamos la fuerza de tracción para que el vidrio se rompa por la mitad y se forme una punta muy afilada”. explica Khasanova, que está trabajando en su Ph.D. en química en el Grupo de Nanotecnología Electroquímica de la Universidad de Oldenburg, Alemania.

en la universidad Wechloy campus, el laboratorio cuenta con 3 impresoras que se construyen y programan internamente según sus exigentes estándares. Similar en concepto a las impresoras 3D de consumo actuales, pero con una pequeña diferencia: el tamaño.

Estas impresoras se enfocan en la precisión, utilizando grandes bases de granito con capas de espuma para ayudar a reducir las vibraciones creadas por el proceso de impresión. Estos pasos ayudan a controlar con precisión la impresora 3D, lo que da como resultado una mayor precisión a escalas más pequeñas. Las impresoras 3D de metal a base de polvo convencionales solo son capaces de resoluciones a nivel de micras, una diferencia de tamaño de 1000x.  

El entorno de la impresora también se tiene en cuenta, el equipo ha tenido en cuenta las luces de su laboratorio debido a la interferencia electromagnética. Usan luces que funcionan con baterías para ayudar a aislar el campo electromagnético generado por las corrientes alternas.

Una pequeña mirada a las nanoestructuras metálicas

Las moléculas de plástico impresas a escala nanométrica se manipulan fácilmente en formas estructurales dada su falta de resistencia y su menor tolerancia al calor. La naturaleza maleable del plástico ofrece a los científicos la capacidad de manipular el plástico en formas más pequeñas. Esta facilidad de uso ha resultado en la mayoría de los avances recientes en la tecnología de impresión.

En comparación, la impresión 3D a nanoescala de metal requiere tolerancias más estrictas y una mayor resistencia tanto al calor como al desgaste. Estas impresoras requerían avances recientes, desde algoritmos de impresión refinados hasta consejos de impresora reinventados para permitir impresiones pequeñas y precisas. 

Actualmente, el equipo puede trabajar con aleaciones de cobre, plata, níquel, níquel-manganeso y níquel-cobalto. El Dr. Momotenko y un equipo de investigadores lograron crear columnas espirales de cobre de 25 nanómetros o 195 átomos de cobre de tamaño como parte de sus estudios publicados en el Revista de Nanotecnologías en 2021. Utilizando un método creado por el Dr. Momotenko y su colega Julian Hengsteler, se utiliza un mecanismo de retroalimentación junto con el cabezal de extrusión para mediar en el proceso de retracción necesario para evitar que la boquilla se solidifique a mitad de la impresión. Las impresiones toman forma una capa a la vez a velocidades de unos pocos nanómetros por segundo. 

Columnas de cobre a nanoescala impresas en 3D. Crédito de la foto a Nano Letters.

El tiempo es esencial

La impresión de objetos en espiral planos se presta bien a los avances en el almacenamiento y la producción de baterías. Controla las nanoestructuras de una manera que permite que los protones atraviesen la batería de manera rápida y uniforme. Esto da como resultado mejores tasas de carga y descarga de las baterías.

Esto beneficiará a las industrias que dependen del almacenamiento de energía, desde baterías de vehículos eléctricos hasta hogares fuera de la red o los requisitos de almacenamiento de las granjas de servidores de datos que nunca pueden desconectarse debido a una falla en la red eléctrica.

Primero viene el riesgo

Para mitigar los riesgos asociados con la producción de baterías de iones de litio, las cámaras selladas especializadas se llenan con gas argón inerte de presión positiva. Con el tamaño para albergar la impresora en un entorno inerte, la cámara mide 10 pies de largo y pesa casi 1000 libras.

¿Cómo gestionará la batería el calor producido por su reacción cuando esté cargada a plena capacidad? “Por un lado, estamos trabajando en la química necesaria para producir materiales de electrodos activos a nanoescala; por otro, estamos tratando de adaptar la tecnología de impresión a estos materiales”, dice el Dr. Momotenko.

Luego viene el progreso

Basándose en las tecnologías de galvanoplastia existentes, pudieron adaptar este método (iones de cobre cargados positivamente con un electrodo cargado negativamente dentro de la solución salina). El extrusión La punta que desarrolló el equipo les ha permitido imprimir en 3D a nanoescala, en comparación con las impresoras 3D actuales basadas en polvo que están limitadas a micrones.

La tecnología de baterías es solo el primer caso de uso, el Dr. Momotenko tiene en mente otros conceptos audaces. Planea usar esta tecnología de impresión para capitalizar un campo más joven llamado espintrónica, que se enfoca en la capacidad de manipular el "espín", una propiedad mecánica cuántica de los electrones.

También planea fabricar sensores capaces de detectar moléculas individuales. Esto ayudaría a detectar la enfermedad de Alzheimer, conocida por sus cantidades fraccionarias de biomarcadores. 

Incluso después de desarrollar esta tecnología, el equipo sigue asombrado por la capacidad de crear objetos que el ojo humano es incapaz de ver sin ayuda.