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

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

Explorer l'impression 3D à l'échelle nanométrique

Cet hôte à l'échelle microscopique contient une gamme de produits susceptibles de perturber l'industrie, des puces informatiques plus petites et des cartes d'ordinateur imprimées 1 pc aux pièces métalliques à l'échelle nanométrique qui cèdent la place à des capacités de charge/décharge plus rapides pour les batteries.

Cette avancée permettra à la fois d'améliorer l'efficacité et d'augmenter la productivité des petites pièces.

Des industries telles que la microélectronique, la nanorobotique et les technologies de capteurs devraient bénéficier de la possibilité de créer à une telle échelle nanométrique sans compromettre la précision. En ce moment universités à travers l'Amérique recherchent différentes façons d'imprimer à l'échelle nanométrique tout en conservant la précision dont leurs industries respectives ont besoin.

Plusieurs de ces instituts se concentrent sur les progrès des technologies électriques tandis que d'autres ont les yeux rivés sur des méthodes de nano-impression qui utilisent des réactions photochimiques, notamment l'immobilisation de protéines, de glycanes ou de gènes. 

Les matériaux synthétiques imprimés à l'échelle nanométrique et les plastiques ont longtemps bénéficié de la capacité d'imprimer à cette échelle, ce n'est qu'au cours des 2-3 années précédentes que les scientifiques ont fait des percées dans l'impression précise d'objets métalliques à cette taille.

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

Solutions d'impression 3D à l'échelle nanométrique 

Dr Dmitri Momotenko, qui dirige le groupe de recherche junior au Institut de chimie, pense que cette technologie permettra à son équipe d'imprimer en 3D des batteries capables de se recharger et de se décharger à des vitesses supérieures à 1000 XNUMX 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 rechargés en quelques secondes".

L'objectif est de raccourcir de manière exponentielle les voies entre les ions dans la cellule de la batterie. L'impression 3D à l'échelle nanométrique permettra à son équipe de revisiter cette idée vieille de 20 ans dans l'espoir de pouvoir imprimer en 3D les structures internes des batteries d'une manière qui permette aux électrons de traverser toute la cellule à la fois, au lieu de devoir passer par une côté de la cellule à l'autre.

Avec la possibilité d'imprimer avec précision des structures métalliques jusqu'à 25 microns à la fois nl'anorobotique (puces nanométriques) et la microélectronique devraient également bénéficier de cette technologie.

Technologies d'impression 3D à l'échelle nanométrique 

Chimiste Liaisan Khasanova au Université d'Oldenburg est chargé de créer la pointe de buse spécialisée requise pour imprimer à l'échelle nanométrique. À partir d'un tube en verre de silice ordinaire, un tube capillaire de 1 mm d'épaisseur est inséré avec un liquide bleu. Une fois l'électricité appliquée, une réaction se produit, entraînant une forte détonation. Le tube est ensuite retiré, révélant un trou suffisamment petit pour répondre à leurs besoins. « Un faisceau laser à l'intérieur de l'appareil chauffe le tube et le sépare. Ensuite, nous augmentons soudainement la force de traction pour que le verre se brise au milieu et qu'une pointe très pointue se forme », explique Khasanova, qui travaille sur son doctorat. en chimie au sein du groupe Electrochemical Nanotechnology à Université d'Oldenburg, Allemagne.

Chez l'Université Wechloy campus, le laboratoire comprend 3 imprimantes qui sont construites et programmées en interne selon leurs normes rigoureuses. Similaire dans son concept aux imprimantes 3D grand public d'aujourd'hui, mais avec une petite différence : la taille.

Ces imprimantes se concentrent sur la précision, utilisant de grandes bases en granit recouvertes de mousse pour aider à réduire les vibrations créées par le processus d'impression. Ces étapes aident à contrôler avec précision l'imprimante 3D, ce qui se traduit par une plus grande précision à plus petite échelle. Les imprimantes 3D métalliques conventionnelles à base de poudre ne sont capables que de résolutions au niveau du micron, une différence de taille de 1000x.  

L'environnement de l'imprimante est également pris en compte, l'équipe a pris en compte les lumières de son laboratoire en raison des interférences électromagnétiques. Ils utilisent des lampes à piles pour aider à isoler le champ électromagnétique généré par les courants alternatifs.

Petit regard sur les nanostructures métalliques

Les molécules de plastique imprimées à l'échelle nanométrique sont facilement manipulées dans des formes structurelles compte tenu de leur manque de résistance et de leur faible tolérance à la chaleur. La nature malléable du plastique offre aux scientifiques la possibilité de manipuler le plastique en formes plus petites. Cette facilité d'utilisation est à l'origine de la plupart des progrès récents de la technologie d'impression.

En comparaison, l'impression 3D métallique à l'échelle nanométrique nécessite des tolérances plus strictes et une plus grande résistance à la fois à la chaleur et à l'usure. Ces imprimantes nécessitaient des avancées récentes allant d'algorithmes d'impression raffinés à des embouts d'imprimante réinventés pour permettre de petites impressions précises. 

Actuellement, l'équipe est capable de travailler avec des alliages de cuivre, d'argent, de nickel, de nickel-manganèse et de nickel-cobalt. Le Dr Momotenko et une équipe de chercheurs ont réussi à créer des colonnes en spirale de cuivre de 25 nanomètres ou 195 atomes de cuivre dans le cadre de leurs études publiées dans le Revue des 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 assurer le processus de rétraction nécessaire pour empêcher la buse de se solidifier à mi-impression. Les impressions prennent forme une couche à la fois à des vitesses de quelques nanomètres par seconde. 

Impression 3D de colonnes de cuivre à l'échelle nanométrique. Crédit photo à Nano Lettres.

Le temps est essentiel

L'impression d'objets en spirale plats se prête bien aux progrès du stockage et de la production de batteries. Il contrôle les nanostructures de manière à permettre aux protons de traverser la batterie rapidement et uniformément. Cela se traduit par des taux de charge et des taux de décharge améliorés des batteries.

Cela profitera aux industries qui dépendent du stockage d'énergie, des batteries de véhicules électriques aux maisons hors réseau, ou aux besoins de stockage des fermes de serveurs de données qui ne peuvent jamais se déconnecter en raison d'une panne du réseau électrique.

D'abord vient le risque

Pour atténuer les risques associés à la production de batteries lithium-ion, des chambres étanches spécialisées sont remplies d'un gaz argon inerte à pression positive. Dimensionnée pour accueillir l'imprimante dans un environnement inerte, la chambre mesure 10 pieds de long et pèse près de 1000 livres.

Comment la batterie va-t-elle gérer 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'électrodes actifs à l'échelle nanométrique ; d'autre part, nous essayons d'adapter la technologie d'impression à ces matériaux », dit le Dr Momotenko.

Vient ensuite le progrès

S'appuyant sur les technologies de galvanoplastie existantes, ils ont pu adapter cette méthode (ions de cuivre chargés positivement avec une électrode chargée négativement à l'intérieur de la solution saline). Le extrusion L'astuce développée par l'équipe leur a permis d'imprimer en 3D à l'échelle nanométrique, par rapport aux imprimantes 3D actuelles à base de poudre 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 capitaliser sur un domaine plus jeune appelé spintronique, qui cible la capacité de manipuler le «spin» - une propriété mécanique quantique des électrons.

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

Même après avoir développé cette technologie, l'équipe reste en admiration devant la capacité de créer des objets que l'œil humain est incapable de voir sans assistance.