La impresión 3D a escala nanométrica está a punto de convertirse en realidad

La impresión 3D a escala nanométrica es la capacidad de imprimir objetos medidos en nanómetros. Por ejemplo, hay 1.000.000 de nanómetros en 1 milímetro. Para entender mejor el tamaño o la falta de él, debemos referirnos al tamaño de un cabello humano, que es de 75.000 a 100.000 nanómetros de diámetro.

Explorando la impresión 3D a escala nanométrica

Esta escala microscópica alberga una variedad de productos potencialmente disruptivos para la industria, desde chips informáticos más pequeños y placas de circuito impresas hasta partes metálicas a escala nanométrica que permiten una carga y descarga más rápidas de las baterías.

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

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

Algunos de estos institutos se centran en avances en tecnologías eléctricas, mientras que otros tienen como objetivo métodos de impresión nanométrica que utilizan reacciones fotoquímicas, incluida la inmovilización de proteínas, glicanos o genes.

Los materiales sintéticos y plásticos impresos a escala nanométrica han beneficiado durante mucho tiempo de la capacidad de imprimir a esta escala, pero solo en los últimos 2-3 años 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 escala nanométrica

El Dr. Dmitry Momotenko, quien lidera el grupo de investigación junior en el Instituto de Química, cree que esta tecnología permitirá a su equipo imprimir baterías que puedan recargarse y descargarse a tasas superiores a 1000 veces más rápido que las tecnologías competidoras actuales. Algunas de sus declaraciones incluyen: “Si se puede lograr hoy, los vehículos eléctricos pueden cargarse en cuestión de segundos”.

El objetivo es acortar exponencialmente los caminos entre los iones en la celda de la batería. La impresión 3D a escala nanométrica permitirá a su equipo revisitar esta idea de 20 años y tal vez imprimir las estructuras internas de las baterías de una manera que permita a los electrones pasar a través de toda la celda al mismo tiempo, en lugar de tener que pasar de un lado de la celda al otro.

Con la capacidad de imprimir estructuras metálicas con precisión hasta 25 micras, tanto la nanorobótica (microchips a escala nanométrica) como la microelectrónica se beneficiarán igualmente de esta tecnología.

Tecnologías de impresión 3D a escala nanométrica

La química Liaisan Khasanova en la Universidad de Oldenburg está encargada de crear la punta de la boquilla especializada necesaria para imprimir a escala nanométrica. Comenzando con un tubo de vidrio de sílice ordinario, se inserta un tubo capilar de 1 mm de grosor con un líquido azul. Una vez que se aplica electricidad, se produce una reacción que resulta en un fuerte ruido. Luego se retira el tubo, revelando un agujero lo suficientemente pequeño como para cumplir con sus requisitos. “Un rayo láser dentro del dispositivo calienta el tubo y lo estira. Luego aumentamos repentinamente la fuerza de tensión para que el vidrio se rompa en el medio y se forme una punta muy afilada”, explica Khasanova, quien está trabajando en su doctorado en química en el Grupo de Nanotecnología Electroquímica en la Universidad de Oldenburg, Alemania.

En el campus Wechloy de la Universidad, el laboratorio cuenta con 3 impresoras que se construyeron y programaron en casa según sus estándares exactos. Similares en concepto a las impresoras 3D de consumo de hoy en día, pero con una pequeña diferencia: el tamaño.

Estas impresoras se centran en la precisión, utilizando bases de granito grandes con 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 resulta en una mayor precisión a escalas más pequeñas. Las impresoras 3D de metal en polvo convencionales solo pueden lograr resoluciones a nivel de micrómetros, una diferencia de tamaño de 1000 veces.

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

Un vistazo a las nanoestructuras metálicas

Las moléculas de plástico impresas a escala nanométrica se pueden manipular fácilmente en formas estructurales debido a su falta de resistencia y 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 de metal a escala nanométrica requiere tolerancias más estrictas y una mayor resistencia al calor y al desgaste. Estas impresoras requirieron avances recientes en algoritmos de impresión refinados y puntas de impresora reinventadas para permitir impresiones pequeñas y precisas.

Actualmente, el equipo puede trabajar con cobre, plata, níquel, aleaciones de 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 la Revista de Nanotecnologías en 2021. Utilizando un método creado por el Dr. Momotenko y su colega Julian Hengsteler, se utiliza un mecanismo de retroalimentación en conjunto con la cabeza de extrusión para mediar el proceso de retracción necesario para evitar que la boquilla se solidifique en medio de la impresión. Las impresiones toman forma una capa a la vez a velocidades de unos pocos nanómetros por segundo.

Impresión 3D de columnas de cobre a escala nanométrica. Crédito de la foto: Nano Letters.

El tiempo es esencial

Imprimir objetos planos en espiral se presta bien a los avances en el almacenamiento y la producción de baterías. Controla las nanoestructuras de una manera que permite a los protones pasar a través de la batería de manera rápida y uniforme. Esto resulta en tasas de carga y descarga de baterías mejoradas.

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

Primero viene el riesgo

Para mitigar los riesgos asociados con la producción de baterías de iones de litio, se utilizan cámaras selladas especializadas llenas de gas argón inerte a presión positiva. Dimensionadas para alojar la impresora en un entorno inerte, la cámara mide 10 pies de largo y pesa casi 1000 libras.

¿Cómo manejará la batería el calor producido por su reacción cuando se carga al máximo? “Por un lado, estamos trabajando en la química necesaria para producir materiales de electrodos activos a escala nanométrica; por otro, estamos tratando de adaptar la tecnología de impresión a estos materiales”, dice el Dr. Momotenko.

Entonces viene el progreso

Basándose en tecnologías de electrodepósito existentes, lograron adaptar este método (iones de cobre con carga positiva con un electrodo con carga negativa en la solución salina). La punta de extrusión que desarrolló el equipo les ha permitido imprimir a escala nanométrica, en comparación con las impresoras 3D de polvo actuales que están limitadas a micrómetros.

La tecnología de baterías es solo el primer caso de uso, el Dr. Momotenko tiene otras ideas audaces en mente. Planea utilizar esta tecnología de impresión para aprovechar un campo más joven llamado spintrónica, que se centra en la capacidad de manipular el “spin”, una propiedad cuántica de los electrones.

También planea fabricar sensores capaces de detectar moléculas individuales. Esto ayudaría a detectar el Alzheimer, conocido 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 no puede ver sin asistencia.