L’impression 3D à l’échelle nanométrique se rapproche de la réalité

L’impression 3D à l’échelle nanométrique est la capacité d’imprimer des objets mesurés en nanomètres. Par exemple, il y a 1 000 000 de nanomètres dans 1 millimètre. Pour mieux comprendre la taille ou l’absence de taille, nous devons référencer la taille d’un cheveu humain, qui est de 75 000 à 100 000 nanomètres de diamètre.

Explorer l’impression 3D à l’échelle nanométrique

Cette échelle microscopique accueille une gamme de produits potentiellement disrupteurs pour l’industrie, allant de puces informatiques plus petites et de cartes de circuit imprimées à l’échelle nanométrique à des pièces métalliques à l’échelle nanométrique qui permettent des capacités de charge et de décharge plus rapides pour les batteries.

Cette avancée améliorera à la fois l’efficacité et la productivité des petites pièces.

Des industries comme la microélectronique, la nanorobotique et les technologies de capteurs peuvent bénéficier de la capacité de créer à une échelle nanométrique sans compromettre la précision. Actuellement, des universitésà travers l’Amérique recherchent différentes façons d’imprimer à l’échelle nanométrique tout en conservant la précision requise par leurs industries respectives.

Plusieurs de ces instituts se concentrent sur les progrès des technologies électriques, tandis que d’autres se concentrent sur les méthodes d’impression nanométrique qui utilisent des réactions photochimiques, y compris l’immobilisation de protéines, de glycanes ou de gènes.

Les matériaux synthétiques et les plastiques imprimés à l’échelle nanométrique ont longtemps bénéficié de la capacité d’imprimer à cette échelle, mais ce n’est qu’au cours des 2 ou 3 dernières années que les scientifiques ont fait des avancées dans l’impression de pièces métalliques avec précision à cette taille.

L’impression 3D de métal à cette échelle permet aux scientifiques d’assembler un objet atome par atome.

Solutions d’impression 3D à l’échelle nanométrique

Dr. Dmitry Momotenko, qui dirige le groupe de recherche junior à l’Institut de chimie, croit que cette technologie permettra à son équipe d’imprimer des batteries qui peuvent se recharger et se décharger à des taux supérieurs à 1000 fois plus rapides que les technologies concurrentes actuelles. Certaines de ses déclarations incluent : “Si cela peut être réalisé aujourd’hui, les véhicules électriques peuvent être chargés en quelques secondes”.

L’objectif est de raccourcir exponentiellement les trajets entre les ions dans la cellule de la batterie. L’impression 3D à l’échelle nanométrique permettra à son équipe de réexaminer cette idée vieille de 20 ans, dans l’espoir de pouvoir imprimer les structures internes des batteries d’une manière qui permet aux électrons de passer à travers toute la cellule à la fois, et non de passer d’un côté de la cellule à l’autre.

Avec la capacité d’imprimer des structures métalliques avec précision jusqu’à 25 micromètres, la nanorobotique (puces informatiques à l’échelle nanométrique) et la microélectronique peuvent également bénéficier de cette technologie.

Technologies d’imprimantes 3D à l’échelle nanométrique

Le chimiste Liaisan Khasanova à l’Université d’Oldenbourg est chargé de créer la pointe de buse spécialisée requise pour imprimer à l’échelle nanométrique. En partant d’un tube de verre de silice ordinaire, un tube capillaire de 1 mm d’épaisseur est inséré avec un liquide bleu. Une fois que l’électricité est appliquée, une réaction se produit, aboutissant à un bang sonore. Le tube est ensuite retiré, révélant un trou suffisamment petit pour répondre à leurs exigences. “Un faisceau laser à l’intérieur de l’appareil chauffe le tube et le tire à l’écart. Ensuite, nous augmentons soudainement la force de traction pour que le verre se brise au milieu et que se forme une pointe très aiguë”, explique Khasanova, qui travaille sur son doctorat en chimie dans le groupe de nanotechnologie électrochimique à l’Université d’Oldenbourg, en Allemagne.

Au campus Wechloy de l’université, le laboratoire dispose de 3 imprimantes construites et programmées en interne selon leurs normes exigeantes. Similaires au concept des imprimantes 3D grand public d’aujourd’hui, mais avec une petite différence – la taille.

Ces imprimantes se concentrent sur la précision, en utilisant de grandes bases en granit avec de la mousse pour aider à réduire les vibrations créées par le processus d’impression. Ces étapes aident à contrôler avec précision l’imprimante 3D, aboutissant à une précision plus élevée à des échelles plus petites. Les imprimantes 3D à base de poudre métallique conventionnelles ne sont capables que de résolutions au niveau du micron, une différence de taille de 1000 fois.

L’environnement de l’imprimante est également pris en compte, l’équipe a pris en compte les lumières de leur laboratoire en raison de l’interférence électromagnétique. Ils utilisent des lumières alimentées par batterie pour aider à isoler le champ électromagnétique généré par les courants alternatifs.

Un petit regard sur les nanostructures métalliques

Les molécules de plastique imprimées à l’échelle nanométrique sont facilement manipulées en formes structurelles en raison de leur manque de force et de leur tolérance thermique plus faible. La nature malléable du plastique offre aux scientifiques la possibilité de manipuler le plastique en formes plus petites. Cette facilité d’utilisation a abouti à la plupart des progrès récents dans la technologie d’impression.

En comparaison, l’impression 3D de métal à l’échelle nanométrique nécessite des tolérances plus serrées et une résistance plus élevée à la chaleur et à l’usure. Ces imprimantes nécessitent des progrès récents dans les algorithmes d’impression raffinés et les pointes d’imprimante réinventées pour permettre des impressions petites et précises.

Actuellement, l’équipe peut travailler avec du cuivre, de l’argent, du nickel, des alliages de nickel-manganèse et de nickel-cobalt. Le Dr Momotenko et une équipe de chercheurs ont réussi à créer des colonnes en cuivre spiralées de 25 nanomètres ou 195 atomes de cuivre de taille dans le cadre de leurs études publiées dans le Journal of Nanotechnologies en 2021. En utilisant une méthode créée par le Dr Momotenko et son collègue Julian Hengsteler, un mécanisme de rétroaction est utilisé en conjonction avec la tête d’extrusion pour contrôler le processus de rétraction nécessaire pour empêcher la buse de se solidifier au milieu de l’impression. Les impressions prennent forme une couche à la fois à des vitesses de quelques nanomètres par seconde.

Impression 3D de colonnes en cuivre à l’échelle nanométrique. Crédit photo : Nano Letters.

Le temps est essentiel

L’impression d’objets plats en spirale se prête bien aux progrès de la production et du stockage de batteries. Elle contrôle les nanostructures d’une manière qui permet aux protons de passer à travers la batterie rapidement et uniformément. Cela aboutit à des taux de charge et de décharge de batteries améliorés.

Cela bénéficiera aux industries qui dépendent du stockage d’énergie, des batteries de véhicules électriques aux maisons hors réseau ou aux fermes de serveurs de données qui ne peuvent jamais être hors ligne en raison d’une panne de réseau électrique.

D’abord vient le risque

Pour atténuer les risques associés à la production de batteries au lithium-ion, des chambres scellées spécialisées sont remplies d’un gaz inerte d’argon sous pression positive. De la taille pour accueillir l’imprimante dans un environnement inerte, la chambre est longue de 10 pieds et pèse près de 1000 livres.

Comment la batterie gérera-t-elle la chaleur produite par sa réaction lorsqu’elle est chargée à pleine capacité ? “D’une part, nous travaillons sur la chimie nécessaire pour produire des matériaux d’électrode actifs à l’échelle nanométrique ; d’autre part, nous essayons d’adapter la technologie d’impression à ces matériaux”, déclare le Dr Momotenko.

Ensuite vient le progrès

En s’appuyant sur les technologies d’électroplacage existantes, ils ont pu adapter cette méthode (ions de cuivre chargés positivement avec une électrode chargée négativement dans la solution saline). La pointe d’extrusion que l’équipe a développée leur a permis d’imprimer en 3D à l’échelle nanométrique, par rapport aux imprimantes 3D à base de poudre actuelles qui sont limitées aux microns.

La technologie des batteries n’est que le premier cas d’utilisation, le Dr Momotenko a d’autres concepts audacieux en tête. Il prévoit d’utiliser cette technologie d’impression pour tirer parti d’un domaine plus jeune appelé spintronique, qui vise à manipuler le “spin” – une propriété quantique mécanique des électrons.

Il prévoit également de fabriquer des capteurs capables de détecter des molécules individuelles. Cela aiderait à détecter la maladie d’Alzheimer, notoire pour ses quantités fractionnaires de biomarqueurs.

Même après avoir développé cette technologie, l’équipe reste émerveillée par la capacité de créer des objets que l’œil humain est incapable de voir sans assistance.