नैनोस्केल 3डी प्रिंटिंग वास्तविकता की ओर बढ़ रही है

नैनोस्केल 3डी प्रिंटिंग नैनोमीटर में मापे जाने वाले वस्तुओं को 3डी प्रिंट करने की क्षमता है। एक उदाहरण के रूप में, 1 मिलीमीटर में 1,000,000 नैनोमीटर होते हैं। आकार या इसकी कमी को बेहतर ढंग से समझने के लिए, हमें एक मानव बाल के आकार का संदर्भ लेना चाहिए, जो 75,000-100,000 नैनोमीटर व्यास में होता है।

नैनो-स्केल 3डी प्रिंटिंग का अन्वेषण

यह सूक्ष्म स्तर पर कई उद्योग-विघटनक उत्पादों की मेजबानी करता है, जैसे कि छोटे कंप्यूटर चिप्स और 1 पीसी प्रिंटेड कंप्यूटर बोर्ड से लेकर नैनोस्केल मेटल भागों तक जो बैटरियों के लिए तेजी से चार्जिंग/डिस्चार्जिंग क्षमता प्रदान करते हैं।

यह सफलता छोटे भागों की दक्षता और उत्पादकता दोनों में सुधार करेगी।

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, नैनोरोबोटिक्स और सेंसर प्रौद्योगिकियों जैसे उद्योग नैनोस्केल पर सटीकता को समझौता किए बिना बनाने की क्षमता से लाभान्वित होंगे। इस समय अमेरिका भर के विश्वविद्यालय नैनोस्केल पर मुद्रण के विभिन्न तरीकों का अनुसंधान कर रहे हैं जो उनके संबंधित उद्योगों की आवश्यकता को पूरा करते हैं।

इन संस्थानों में से कई विद्युत प्रौद्योगिकियों में प्रगति पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, जबकि अन्य फोटोकेमिकल प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने वाले नैनो-प्रिंटिंग विधियों पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, जिनमें प्रोटीन, ग्लाइकेन या जीन का निष्क्रियकरण शामिल है।

नैनोस्केल प्रिंटेड सिंथेटिक सामग्री और प्लास्टिक लंबे समय से इस स्तर पर मुद्रण की क्षमता से लाभान्वित हुए हैं, यह केवल पिछले 2-3 वर्षों में है कि वैज्ञानिकों ने इस आकार में धातु की वस्तुओं को सटीक रूप से मुद्रित करने में सफलता प्राप्त की है।

नैनोस्केल पर धातु को 3डी प्रिंट करने से वैज्ञानिकों को परमाणु द्वारा वस्तु को इकट्ठा करने में सक्षम बनाता है।

नैनोस्केल 3डी प्रिंटिंग समाधान

डॉ। दिमित्री मोमोटेंको, जो रासायनिक संस्थान में जूनियर अनुसंधान समूह का नेतृत्व करते हैं, मानते हैं कि यह प्रौद्योगिकी उनकी टीम को 3डी प्रिंट बैटरी बनाने की अनुमति देगी जो वर्तमान प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों की तुलना में 1000 गुना तेजी से रिचार्ज और डिस्चार्ज कर सकती है। उनके कुछ बयानों में शामिल हैं: “अगर यह आज हासिल किया जा सकता है, तो ईवी को कुछ सेकंड में चार्ज किया जा सकता है”。

लक्ष्य बैटरी सेल में आयनों के बीच मार्गों को असीम रूप से कम करना है। नैनोस्केल 3डी प्रिंटिंग उनकी टीम को 20 साल पुराने इस विचार को फिर से देखने की अनुमति देगी, जिसमें बैटरी के आंतरिक संरचनाओं को 3डी प्रिंट करने का प्रयास किया जा रहा है ताकि इलेक्ट्रॉन पूरे सेल में एक बार में गुजर सकें, न कि सेल के एक तरफ से दूसरी तरफ।

नैनोरोबोटिक्स (नैनोस्केल माइक्रोचिप्स) और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स दोनों को इस प्रौद्योगिकी से लाभ होगा, क्योंकि वे 25 माइक्रोन तक धातु संरचनाओं को सटीक रूप से मुद्रित कर सकते हैं।

नैनोस्केल 3डी प्रिंटर प्रौद्योगिकियां

ओल्डेनबर्ग विश्वविद्यालय के रासायनिक विभाग में लियासान खासानोवा को नैनोस्केल पर मुद्रण के लिए विशेष नोजल टिप बनाने का काम सौंपा गया है। एक सामान्य सिलिका ग्लास ट्यूब के साथ शुरू करते हुए, एक 1 मिमी मोटी कैपिलरी ट्यूब को एक नीले तरल के साथ डाला जाता है। एक बार जब बिजली लगाई जाती है, तो एक प्रतिक्रिया होती है जिसके परिणामस्वरूप एक तेज़ ध्वनि होती है। ट्यूब को हटा दिया जाता है और उनकी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पर्याप्त छोटा छेद दिखाई देता है। “एक लेजर बीम डिवाइस के अंदर ट्यूब को गर्म करता है और इसे खींचता है। फिर हम अचानक तनाव बल को बढ़ाते हैं ताकि ग्लास मध्य में टूट जाए और एक बहुत तेज नोक बन जाए,” खासानोवा बताते हैं, जो ओल्डेनबर्ग विश्वविद्यालय, जर्मनी में इलेक्ट्रोकेमिकल नैनोटेक्नोलॉजी समूह में रसायन विज्ञान में अपनी पीएचडी पर काम कर रहे हैं।

विश्वविद्यालय के वेचलॉय कैंपस में, प्रयोगशाला में 3 प्रिंटर हैं जो उनके सटीक मानकों के अनुसार इनहाउस में निर्मित और प्रोग्राम किए गए हैं। आज के उपभोक्ता 3डी प्रिंटर की अवधारणा के समान, लेकिन एक छोटे से अंतर के साथ – आकार।

इन प्रिंटरों का ध्यान सटीकता पर है, जो बड़े ग्रेनाइट आधारों का उपयोग करते हैं जो फोम के साथ परतदार होते हैं ताकि मुद्रण प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न कंपन को कम करने में मदद मिल सके। ये चरण 3डी प्रिंटर को सटीक रूप से नियंत्रित करने में मदद करते हैं, जिससे छोटे स्तर पर उच्च सटीकता प्राप्त होती है। पारंपरिक पाउडर-आधारित मेटल 3डी प्रिंटर केवल माइक्रोन-स्तरीय संकल्पों में सक्षम हैं, जो 1000 गुना का आकार अंतर है।

प्रिंटर के वातावरण को भी ध्यान में रखा जाता है, टीम ने अपनी प्रयोगशाला में प्रकाश को विचार में लिया है क्योंकि वे विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप का कारण बनते हैं। वे बैटरी से चलने वाले प्रकाश का उपयोग करते हैं ताकि वे वैकल्पिक धाराओं द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को अलग करने में मदद कर सकें।

मेटल नैनोस्ट्रक्चर की एक छोटी सी झलक

नैनो-स्केल पर मुद्रित प्लास्टिक अणु संरचनात्मक आकार में आसानी से मैनिप्युलेट किए जा सकते हैं क्योंकि उनकी ताकत और गर्मी सहनशीलता कम होती है। प्लास्टिक की मalleable प्रकृति वैज्ञानिकों को इसे छोटे आकार में मैनिप्युलेट करने की अनुमति देती है। इस उपयोगिता के परिणामस्वरूप हाल के वर्षों में मुद्रण प्रौद्योगिकी में अधिकांश प्रगति हुई है।

तुलना में, मेटल नैनोस्केल 3डी पिंटिंग के लिए तंग टॉलरेंस और उच्च प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, जो गर्मी और पहनने के प्रति होती है। इन प्रिंटरों को सटीक छोटे प्रिंट करने में सक्षम होने के लिए परिष्कृत मुद्रण एल्गोरिदम से लेकर पुनः आविष्कृत प्रिंटर टिप तक हाल की प्रगति की आवश्यकता है।

वर्तमान में, टीम तांबा, चांदी, निकल, निकल-मैंगनीज और निक-कोबाल्ट मिश्र धातुओं के साथ काम कर सकती है। डॉ। मोमोटेंको और एक अनुसंधानकर्ता टीम ने 2021 में अपने अध्ययन में प्रकाशित नैनोटेक्नोलॉजी जर्नल में 25 नैनोमीटर या 195 तांबे के परमाणुओं के आकार में तांबे के स्पाइरल स्तंभ बनाने में सफलता प्राप्त की। डॉ। मोमोटेंको और उनके सहयोगी जूलियन हेंग्स्टेलर द्वारा बनाई गई एक विधि का उपयोग करते हुए, एक प्रतिक्रिया तंत्र का उपयोग प्रतिक्रिया सिर के साथ मिलकर नोजल को मध्य-मुद्रण में जमने से रोकने के लिए आवश्यक प्रतिक्रिया प्रक्रिया को मध्यस्थ करने के लिए किया जाता है। मुद्रण एक-एक करके कुछ नैनोमीटर प्रति सेकंड की गति से आकार लेता है।

नैनोस्केल तांबा स्तंभ 3डी प्रिंट करें। फोटो क्रेडिट नैनो लेटर्स को दिया जाता है।

समय की महत्ता

सपाट स्पाइरल वस्तुओं को मुद्रित करना बैटरी स्टोरेज और उत्पादन में प्रगति के लिए उपयुक्त है। यह नैनोस्ट्रक्चर को इस तरह से नियंत्रित करता है कि प्रोटॉन बैटरी के माध्यम से जल्दी और समान रूप से गुजर सकते हैं। इससे बैटरी की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दर में सुधार होता है।

यह ऊर्जा भंडारण पर निर्भर उद्योगों को लाभान्वित करेगा, जैसे कि ईवी बैटरी, ऑफ-ग्रिड घरों या डेटा सर्वर फार्मों के भंडारण आवश्यकताओं जो कभी भी बिजली ग्रिड विफलता के कारण ऑफलाइन नहीं जा सकते हैं।

पहले जोखिम आता है

लिथियम-आयन बैटरी के उत्पादन से जुड़े जोखिमों को कम करने के लिए, विशेष सील कक्ष सकारात्मक दबाव इनर्ट अर्गन गैस से भरे जाते हैं। प्रिंटर को एक इनर्ट वातावरण में होस्ट करने के लिए डिज़ाइन किया गया, कक्ष 10 फीट लंबा है और लगभग 1000 पाउंड वजन का है।

जब यह पूरी क्षमता में चार्ज किया जाता है तो बैटरी द्वारा उत्पन्न गर्मी को कैसे प्रबंधित किया जाएगा? “एक ओर, हम नैनोस्केल पर सक्रिय इलेक्ट्रोड सामग्री का उत्पादन करने के लिए आवश्यक रसायन शास्त्र पर काम कर रहे हैं; दूसरी ओर, हम इस सामग्री के लिए मुद्रण प्रौद्योगिकी को अनुकूलित करने का प्रयास कर रहे हैं,” डॉ। मोमोटेंको कहते हैं।

फिर प्रगति होती है

मौजूदा इलेक्ट्रोप्लेटिंग प्रौद्योगिकियों पर भरोसा करते हुए वे सकारात्मक चार्ज तांबा आयनों के साथ एक नकारात्मक चार्ज इलेक्ट्रोड के साथ नमक समाधान में इस विधि (का अनुकूलन करने में सक्षम थे। टीम द्वारा विकसित एक्सट्रूज़न टिप ने उन्हें नैनोस्केल पर 3डी प्रिंट करने की अनुमति दी, जो वर्तमान पाउडर-आधारित 3डी प्रिंटर की तुलना में माइक्रोन में सीमित हैं।

बैटरी प्रौद्योगिकी केवल पहला उपयोग मामला है, डॉ। मोमोटेंको के पास अन्य बड़े विचार हैं। वह स्पिन्ट्रॉनिक्स नामक एक युवा क्षेत्र में इस मुद्रण प्रौद्योगिकी का लाभ उठाने की योजना बना रहे हैं, जो इलेक्ट्रॉनों की “स्पिन” – एक क्वांटम यांत्रिक गुण – को मैनिप्युलेट करने की क्षमता पर लक्ष्य रखता है।

वह व्यक्तिगत अणुओं का पता लगाने में सक्षम सेंसर बनाने की भी योजना बना रहे हैं। यह अल्जाइमर का पता लगाने में मदद करेगा, जो अपने आंशिक मात्रा में बायोमार्कर के लिए कुख्यात है।

इस प्रौद्योगिकी को विकसित करने के बाद भी, टीम मानव आंख की मदद के बिना दिखाई नहीं देने वाली वस्तुओं को बनाने की क्षमता से अभिभूत है।