Nanomittakaavan 3D-tulostus on lähempänä todellisuutta

Nanomittakaavan 3D-tulostus on kyky tulostaa esineitä, jotka mitataan nanometreinä. Esimerkiksi yhdessä millimetrissä on 1 000 000 nanometriä. Jotta voisimme ymmärtää koon tai sen puutteen, meidän tulisi viitata yhden ihmisen hiuksen koosta, joka on 75 000-100 000 nanometriä halkaisijaltaan.

Nano-mittakaavan 3D-tulostuksen tutkiminen

Tämä mikroskooppinen mittakaava isäntä monia potentiaalisia teollisuuden mullistavia tuotteita, kuten pienempiä tietokoneen suorittimia ja yhden piirilevyn tulostettuja tietokoneen piirikortteja, sekä nanomittakaavan metalliosia, jotka mahdollistavat nopeamman lataamisen ja purkamisen paristoihin.

Tämä läpimurto parantaa sekä tehokkuutta että tuottavuutta pienemmissä osissa.

Teollisuudet, kuten mikroelektroniikka, nanorobotiikka ja anturiteknologia, hyötyvät kyvystä luoda näin pienessä mittakaavassa ilman tarkkuuden heikentymistä. Tällä hetkellä yliopistot Yhdysvalloissa tutkivat eri tapoja tulostaa nanomittakaavassa säilyttäen kussakin teollisuudessa vaadittavan tarkkuuden.

Useat näistä laitoksista keskittyvät sähköteknologian edistymiseen, kun taas toiset keskittyvät nano-tulostusmenetelmiin, jotka hyödyntävät fotokemiallisia reaktioita, mukaan lukien proteiinien, glykaanien tai geenien immobilisaatio.

Nanomittakaavan tulostetut synteettiset materiaalit ja muovit ovat pitkään hyötyneet kyvystä tulostaa tässä mittakaavassa, mutta vasta edeltävien 2-3 vuoden aikana tutkijat ovat onnistuneet tulostamaan metallisia esineitä tarkasti tässä koossa.

3D-tulostus metallia tässä mittakaavassa mahdollistaa tutkijoiden kokoamisen esineen atomi atomilta.

Nanomittakaavan 3D-tulostusratkaisut

Tohtori Dmitry Momotenko, joka johtaa nuorempaa tutkimusryhmää Kemiainstituutissa, uskoo, että tämä teknologia mahdollistaa hänen tiiminsä tulostaa paristoja, jotka voivat ladata ja purkaa nopeammin kuin kilpailevat teknologiat. Jotkut hänen lausunnoistaan ovat: “Jos tämä voidaan saavuttaa tänään, sähköautot voidaan ladata muutamassa sekunnissa” .

Tavoitteena on lyhentää eksponentiaalisesti reittejä ionien välillä paristosolussa. Nanomittakaavan 3D-tulostus mahdollistaa hänen tiiminsä tarkastella uudelleen 20 vuotta vanhaa ideaa toivoen pystyvänsä tulostamaan paristojen sisäisiä rakenteita tavalla, joka mahdollistaa elektronien kulkemisen koko solun läpi kerran, sen sijaan, että ne joutuisivat kulkemaan toisesta solun puolesta toiseen.

Nanorobotiikka (nanomittakaavan mikropiirit) ja mikroelektroniikka hyötyvät yhtä lailla tästä teknologiasta, kun voidaan tulostaa tarkasti metallirakenteita 25 mikrometriin saakka.

Nanomittakaavan 3D-tulostusteknologiat

Kemisti Liaisan Khasanova Oldenburgin yliopistossa on tehtävänä luoda erikoisnozzle-kärki, joka vaaditaan nanomittakaavan tulostamiseen. Aloittaen tavallisesta silika-lasiputkesta, 1 mm paksuinen kapillaariputki asetetaan siniseen nesteeseen. Kun sähköä käytetään, reaktio tapahtuu, josta seuraa voimakas paukaus. Putki poistetaan, paljastaen reiän, joka on tarpeeksi pieni täyttämään heidän vaatimuksensa. “Laser-säde laitteessa kuumottaa putkea ja vetää sitä irti. Sitten me yllättäen lisäämme jännitysvoimaa, jotta lasi menee rikki keskeltä ja muodostaa hyvin terävän kärjen”, Khasanova selittää, joka työskentelee tohtorin tutkinnon parissa kemiassa Elektrokemiallisessa nanoteknologian ryhmässä Oldenburgin yliopistossa, Saksassa.

Yliopiston Wechloy -kampuksella laboratorio sisältää 3 tulostinta, jotka on rakennettu ja ohjelmoitu heidän tarkoihinsa. Ne ovat samanlaisia kuin kuluttajien 3D-tulostimet, mutta yhdellä pienellä erolla – koko.

Nämä tulostimet keskittyvät tarkkuuteen, käyttäen suuria graniittipohjia, joissa on vaahtoa, jotta voidaan vähentää tulostusprosessin aikana syntyvien tärinien määrää. Nämä vaiheet auttavat tarkasti ohjaamassa 3D-tulostinta, josta seuraa korkeampi tarkkuus pienemmissä mittakaavoissa. Perinteiset jauhepohjaiset metalli-3D-tulostimet pystyvät vain mikromittakaavan resoluutioihin, joka on 1000-kertainen koko-ero.

Tulostimen ympäristö on myös otettu huomioon, ja tiimi on ottanut laboratorion valot huomioon johtuen sähkömagneettisesta häiriöstä. He käyttävät paristovaroitusta valoja, jotta voidaan eristää sähkövirtojen aiheuttama sähkömagneettinen kenttä.

Pieni katsaus metallinanostruktuureihin

Nano-mittakaavan tulostetut muovimolekyylit voidaan helposti muotoilla rakenteellisiksi muodoiksi niiden heikkouden ja alhaisemman lämpötoleranssin vuoksi. Muovin muovautuvuus antaa tutkijoille mahdollisuuden muotoilla muovia pienemmiksi muodoiksi. Tämä helppokäyttöisyys on johtanut useimpiin viimeaikaisiin edistymisiin tulostusteknologiassa.

Vertailussa metallinanomittakaavan 3D-tulostus vaatii tiukempia toleransseja ja suurempaa resistanssia sekä lämmölle että kulumiselle. Nämä tulostimet vaativat viimeaikaisia edistymisiä jalostetuista tulostusalgoritmeista uudelleen keksittyihin tulostinkärkiin, jotta voidaan tulostaa pieniä ja tarkkoja tulosteita.

Tällä hetkellä tiimi pystyy työskentelemään kuparin, hopean, nikkeli, nikkeli-mangaani ja nikkeli-koboltti-seoksien kanssa. Tohtori Momotenko ja tutkimusryhmä onnistuivat luomaan kuparikierresarakkeita, jotka ovat 25 nanometriä tai 195 kupariatomea kokoisina, osana heidän julkaisujaan Journal of Nanotechnologies -julkaisussa vuonna 2021. Käyttäen menetelmää, jonka tohtori Momotenko ja hänen kollegansa Julian Hengsteler loivat, palautusmekanismia käytetään yhdessä ekstrusio-pään kanssa ohjaamaan takaisinvedon prosessia, jotta voidaan estää tulostimen suuttimen jäätyminen kesken tulostuksen. Tulostukset muodostuvat kerros kerrokselta nopeudella, joka on muutamia nanometrejä sekunnissa.

3D-tulostettu nanomittakaavan kuparipylväs. Kuva: Nano Letters.

Aika on olennainen

Tasaisen spiraalirakenteen tulostaminen edistää paristojen varastointi- ja tuotantoteknologiaa. Se ohjaa nanostruktuureja tavalla, joka mahdollistaa protonien kulkemisen paristossa nopeasti ja tasaisesti. Tämä johtaa paristojen lataus- ja purkausnopeuksien parantumiseen.

Tämä hyödyttää energiavarastoon perustuvia teollisuusaloja, kuten sähköautojen paristoja, erillisiin kotitalouksiin tai tietopalvelimien varastointivaatimuksiin, jotka eivät voi koskaan olla offline-tilassa johtuen sähköverkon virheestä.

Ensin tulee riski

Lithium-ioni-paristojen tuotannon riskejä voidaan lieventää erityisesti suunnitelluilla suljettuilla kammiolla, jotka on täytetty positiivisella paineella inertillä argon-kaasulla. Koko kammi on 10 jalkaa pitkä ja painaa lähes 1000 naulaa.

Miten paristo hallitsee lämmityksen, joka syntyy, kun se on ladattu täyteen kapasiteettiin? “Toisaalta, me työskentelemme kemiassa, jota tarvitaan aktiivisten elektrodimateriaalien tuottamiseen nanomittakaavassa; toisaalta, me yritämme sovittaa tulostusteknologiaa näihin materiaaleihin”, tohtori Momotenko sanoo.

Then comes progress

Riippuen olemassa olevista elektrolyyttiteknologioista he pystyivät sopeamaan tämän menetelmän (positiivisesti varattujen kupari-ioniiden ja negatiivisesti varatun elektrodimen kanssa suolaliuoksessa). Tulostimen suuttimen kärki, jonka tiimi kehitti, mahdollisti 3D-tulostuksen nanomittakaavassa verrattuna nykyisiin jauhepohjaisiin 3D-tulostimiin, jotka ovat rajoittuneita mikromittakaavaan.

Paristoteknologia on vain ensimmäinen sovellus, tohtori Momotenko on muita rohkeita konsepteja mielessään. Hän aikoo käyttää tätä tulostusteknologiaa hyödykseen nuoremmassa alalla, jota kutsutaan spintronikaksi, joka kohdistuu “spin”-ominaisuuden manipulointiin, joka on kvanttimekaaninen ominaisuus elektroneissa.

Hän myös aikoo valmistaa antureita, jotka pystyvät havaitsemaan yksittäisiä molekyylejä. Tämä auttaisi osoittamaan Alzheimerin taudin, joka on kuuluisa sen vähäisistä biomerkinnöistä.

Vaikka kehittäessään tätä teknologiaa, tiimi on edelleen hämmästynyt kyvystään luoda esineitä, joita ihmissilmä ei pysty näkemään ilman apua.