3D ispis nanomjera sve je bliži stvarnosti

Nanoscale 3D ispis je mogućnost 3D ispisa objekata mjerenih u nanometrima. Na primjer, postoji 1,000,000 nanometara u 1 milimetru. Da bismo bolje razumjeli veličinu ili njezin nedostatak, trebali bismo se pozvati na veličinu jedne ljudske vlasi, koja je promjera 75,000-100,000 nanometara.

Istraživanje 3D ispisa u nanorazmjerima

Ovaj domaćin mikroskopskih razmjera sadrži niz potencijalnih proizvoda koji mogu izazvati poremećaje u industriji, od manjih računalnih čipova i tiskanih računalnih ploča od 1 računala do metalnih dijelova u nanorazmjerima koji ustupaju mjesto mogućnostima bržeg punjenja/pražnjenja baterija.

Ovo otkriće će poboljšati učinkovitost i povećati produktivnost manjih dijelova.

Industrije poput mikroelektronike, nanorobotike i senzorskih tehnologija mogu imati koristi od mogućnosti stvaranja na takvoj nanoskali bez ugrožavanja točnosti. U ovo vrijeme sveučilišta diljem Amerike istražuju različite načine ispisa na nano skali, a da pritom zadrže točnost koju njihove industrije zahtijevaju.

Nekoliko od tih instituta usredotočeno je na napredak u električnim tehnologijama, dok su drugi usmjereni na metode nano-ispisa koje koriste fotokemijske reakcije uključujući imobilizaciju proteina, glikana ili gena. 

Tiskani sintetski materijali i plastika u nanorazmjerima dugo su imali koristi od mogućnosti ispisa u ovoj mjeri, tek su u prethodne 2-3 godine znanstvenici napravili pomak u ispisu metalnih predmeta točne veličine.

3D ispis metala u ovoj mjeri omogućuje znanstvenicima da sastavljaju objekt atom po atom. 

Nanoscale 3D rješenja za ispis 

dr. Dmitrija Momotenka, koji vodi juniorsku istraživačku grupu na Institut za kemiju, vjeruje da će ova tehnologija njegovom timu omogućiti 3D ispis baterija koje se mogu puniti i prazniti brzinom većom od 1000 puta bržom od trenutnih konkurentskih tehnologija. Neke od njegovih izjava uključuju: "Ako se to može postići danas, EV-ovi se mogu napuniti u roku od nekoliko sekundi".

Cilj je eksponencijalno skratiti putove između iona u ćeliji baterije. Nanoscale 3D ispis omogućit će njegovu timu da ponovno razmotri ovu 20 godina staru ideju u nadi da će moći 3D ispisati unutarnje strukture baterija na način koji omogućuje prolazak elektrona kroz cijelu ćeliju odjednom, umjesto da moraju proći kroz jednu stranu ćelije na drugu.

Uz mogućnost preciznog ispisa metalnih struktura do 25 mikrona i nanorobotika (mikročipovi u nanorazmjerima) i mikroelektronika imaju jednaku korist od ove tehnologije.

Nanoscale 3D printer tehnologije 

Kemičar Liaisan Khasanova u Sveučilište u Oldenburgu ima zadatak izraditi specijalizirani vrh mlaznice potreban za ispis na nanoskali. Počevši od obične staklene cijevi od silicijevog dioksida, kapilarna cijev debljine 1 mm umetnuta je s plavom tekućinom. Nakon što se primijeni struja, dolazi do reakcije koja rezultira glasnim praskom. Cijev se zatim uklanja otkrivajući rupu dovoljno malu da zadovolji njihove zahtjeve. “Laserska zraka unutar uređaja zagrijava cijev i rastavlja je. Zatim naglo povećamo vlačnu silu tako da staklo pukne u sredini i formira se vrlo oštar vrh,” objašnjava Khasanova, koja radi na svom doktoratu. kemije u Grupi za elektrokemijsku nanotehnologiju na Sveučilište u Oldenburgu, Njemačka.

Na Sveučilištu Wechloy kampusa, laboratorij ima 3 pisača koji su napravljeni i programirani u tvrtki prema njihovim strogim standardima. Po konceptu sličan današnjim potrošačkim 3D pisačima, ali s jednom malom razlikom – veličinom.

Ovi pisači usredotočeni su na točnost, koristeći velike granitne baze obložene pjenom kako bi se pomoglo u smanjenju vibracija koje stvara proces ispisa. Ovi koraci pomažu u preciznom upravljanju 3D pisačem što rezultira većom preciznošću u manjim mjerilima. Konvencionalni metalni 3D pisači na bazi praha sposobni su samo za mikronske razlučivosti, razliku u veličini od 1000x.  

Okruženje pisača također je uzeto u obzir, tim je uzeo u obzir svjetla u svom laboratoriju zbog elektromagnetskih smetnji. Oni koriste svjetla na baterije kako bi izolirali elektromagnetsko polje koje stvaraju izmjenične struje.

Mali pogled na metalne nanostrukture

Tiskane plastične molekule u nanorazmjerima lako se pretvaraju u strukturne oblike s obzirom na njihovu nedovoljnu čvrstoću i nižu toleranciju na toplinu. Savitljiva priroda plastike nudi znanstvenicima mogućnost manipuliranja plastikom u manje oblike. Ova jednostavnost korištenja rezultirala je većinom nedavnih napretka u tehnologiji ispisa.

Za usporedbu, metalni 3D ispis u nanoskali zahtijeva strože tolerancije i veću otpornost na toplinu i habanje. Ovi su pisači zahtijevali nedavna poboljšanja od poboljšanih algoritama ispisa do ponovno izmišljenih savjeta za pisač kako bi omogućili male točne ispise. 

Trenutno tim može raditi s bakrom, srebrom, niklom, nikl-manganom i nikl-kobalt legurama. Dr. Momotenko i tim istraživača uspjeli su stvoriti bakrene spiralne stupove veličine 25 nanometara ili 195 atoma bakra u sklopu svojih studija objavljenih u Časopis za nanotehnologije u 2021. Koristeći metodu koju su osmislili dr. Momotenko i njegov kolega Julian Hengsteler, mehanizam povratne sprege koristi se zajedno s ekstruzijskom glavom za posredovanje u procesu povlačenja potrebnom za sprječavanje skrućivanja mlaznice u sredini otiska. Ispisi poprimaju oblik sloj po sloj brzinom od nekoliko nanometara u sekundi. 

3D ispis bakrenih stupova u nanorazmjerima. Autor fotografije Nano slova.

Vrijeme je u suštini

Tiskanje ravnih spiralnih objekata dobro odgovara napretku skladištenja i proizvodnje baterija. On kontrolira nanostrukture na način koji omogućuje protonima da brzo i ravnomjerno prolaze kroz bateriju. To rezultira poboljšanim stopama punjenja i pražnjenja baterija.

To će koristiti industrijama koje se oslanjaju na pohranu energije, od baterija za električna vozila, do domova izvan mreže ili zahtjevima za pohranu farmi podatkovnih poslužitelja koji se nikada ne mogu isključiti zbog kvara na mreži.

Prvo dolazi rizik

Kako bi se ublažili rizici povezani s proizvodnjom litij-ionskih baterija, specijalizirane zatvorene komore ispunjene su inertnim plinom argonom pod pozitivnim tlakom. Dimenzionirana za držanje pisača u inertnom okruženju, komora je duga 10 stopa i teška gotovo 1000 lbs.

Kako će baterija upravljati toplinom proizvedenom svojom reakcijom kada se napuni do punog kapaciteta? “S jedne strane, radimo na kemiji potrebnoj za proizvodnju materijala aktivnih elektroda na nanoskali; s druge strane, pokušavamo prilagoditi tehnologiju ispisa tim materijalima,” kaže dr. Momotenko.

Onda dolazi napredak

Oslanjajući se na postojeće tehnologije galvanizacije, uspjeli su prilagoditi ovu metodu (pozitivno nabijeni ioni bakra s negativno nabijenom elektrodom unutar otopine soli). The istiskivanje Savjet koji je tim razvio omogućio im je 3D ispis na nanoskali, u usporedbi sa trenutnim 3D pisačima na bazi praha koji su ograničeni na mikrone.

Tehnologija baterija samo je prvi slučaj upotrebe, dr. Momotenko ima na umu i druge hrabre koncepte. Planira upotrijebiti ovu tehnologiju ispisa kako bi kapitalizirao mlađe polje zvano spintronika, koje cilja na sposobnost manipuliranja "spinom" - kvantno mehaničkim svojstvom elektrona.

Također planira proizvesti senzore koji mogu detektirati pojedinačne molekule. To bi pomoglo u otkrivanju Alzheimerove bolesti, ozloglašene po malim količinama biomarkera. 

Čak i nakon razvoja ove tehnologije, tim ostaje zadivljen sposobnošću stvaranja objekata koje ljudsko oko nije u stanju vidjeti bez pomoći.