Pencetakan 3D Skala Nano Semakin Mendekati Kenyataan

Pencetakan 3D skala nano adalah kemampuan untuk mencetak objek 3D yang diukur dalam nanometer. Sebagai contoh, terdapat 1.000.000 nanometer dalam 1 milimeter. Untuk lebih memahami ukurannya yang sangat kecil, kita dapat merujuk pada ukuran satu helai rambut manusia, yang diameternya 75.000-100.000 nanometer.

Mengeksplorasi pencetakan 3D skala nano

Skala mikroskopis ini menjadi tuan rumah bagi sejumlah produk potensial yang dapat mengganggu industri, mulai dari chip komputer yang lebih kecil dan papan komputer cetak 1 pc hingga bagian logam skala nano yang membuka jalan bagi kemampuan pengisian/pengosongan baterai yang lebih cepat. Terobosan ini akan meningkatkan efisiensi dan produktivitas bagian-bagian yang lebih kecil. Industri seperti mikroelektronika, nanorobotika, dan teknologi sensor akan diuntungkan oleh kemampuan untuk menciptakan pada skala nano tanpa mengorbankan akurasi. Saat ini, universitas-universitas di seluruh Amerika sedang meneliti berbagai cara untuk mencetak pada skala nano sambil mempertahankan akurasi yang dibutuhkan industri masing-masing. Beberapa institut ini berfokus pada kemajuan dalam teknologi listrik sementara yang lain mengarahkan pandangan pada metode pencetakan nano yang memanfaatkan reaksi fotokimia termasuk imobilisasi protein, glikan, atau gen. Bahan sintetis dan plastik cetak skala nano telah lama diuntungkan oleh kemampuan mencetak pada skala ini, baru dalam 2-3 tahun terakhir para ilmuwan membuat terobosan dalam mencetak objek logam secara akurat hingga ukuran ini. Mencetak 3D logam pada skala ini memungkinkan ilmuwan merakit objek atom demi atom.

Solusi pencetakan 3D skala nano

Dr. Dmitry Momotenko, yang memimpin kelompok penelitian junior di Institute of Chemistry, percaya teknologi ini akan memungkinkan timnya untuk mencetak 3D baterai yang dapat mengisi dan mengosongkan daya dengan kecepatan lebih dari 1000x dibandingkan teknologi pesaing saat ini. Beberapa pernyataannya termasuk: “Jika itu dapat dicapai hari ini, EV dapat diisi dalam hitungan detik”. Tujuannya adalah untuk mempersingkat jalur antar ion dalam sel baterai secara eksponensial. Pencetakan 3D skala nano akan memungkinkan timnya untuk meninjau kembali ide berusia 20 tahun ini dengan harapan dapat mencetak 3D struktur internal baterai dengan cara yang memungkinkan elektron melewati seluruh sel sekaligus, alih-alih harus melewati dari satu sisi sel ke sisi lainnya. Dengan kemampuan mencetak struktur logam secara akurat hingga 25 mikron, baik nanorobotika (mikrocip skala nano) maupun mikroelektronika akan sama-sama diuntungkan oleh teknologi ini.

Teknologi printer 3D skala nano

Kimiawan Liaisan Khasanova di University of Oldenburg ditugaskan untuk membuat ujung nozzle khusus yang diperlukan untuk mencetak pada skala nano. Dimulai dengan tabung kaca silika biasa, sebuah tabung kapiler setebal 1mm dimasukkan dengan cairan biru. Setelah listrik dialirkan, terjadi reaksi yang menghasilkan suara ledakan keras. Tabung kemudian dikeluarkan, memperlihatkan lubang yang cukup kecil untuk memenuhi persyaratan mereka. “Sinar laser di dalam perangkat memanaskan tabung dan menariknya terpisah. Kemudian kami tiba-tiba meningkatkan gaya tarik sehingga kaca pecah di tengah dan ujung yang sangat tajam terbentuk,” jelas Khasanova, yang sedang mengerjakan gelar Ph.D. dalam kimia di Grup Nanoteknologi Elektrokimia di University of Oldenburg, Jerman. Di kampus Wechloy Universitas, lab menampilkan 3 printer yang dibangun dan diprogram secara internal sesuai standar ketat mereka. Serupa konsepnya dengan printer 3D konsumen saat ini, tetapi dengan satu perbedaan kecil – ukurannya. Printer-printer ini berfokus pada akurasi, memanfaatkan alas granit besar yang dilapisi busa untuk membantu mengurangi getaran yang dihasilkan oleh proses pencetakan. Langkah-langkah ini membantu mengontrol printer 3D secara presisi sehingga menghasilkan akurasi yang lebih tinggi pada skala yang lebih kecil. Printer logam 3D berbasis bubuk konvensional hanya mampu mencapai resolusi tingkat mikron, perbedaan ukuran 1000x. Lingkungan printer juga diperhitungkan, tim telah mempertimbangkan lampu di laboratorium mereka karena gangguan elektromagnetik. Mereka menggunakan lampu bertenaga baterai untuk membantu mengisolasi medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh arus bolak-balik.

Sekilas tentang struktur nano logam

Molekul plastik cetak skala nano mudah dimanipulasi menjadi bentuk struktural mengingat kurangnya kekuatan dan toleransi panas yang lebih rendah. Sifat plastik yang mudah dibentuk menawarkan para ilmuwan kemampuan untuk memanipulasi plastik menjadi bentuk yang lebih kecil. Kemudahan penggunaan ini telah menghasilkan sebagian besar kemajuan terbaru dalam teknologi pencetakan. Sebagai perbandingan, pencetakan 3D skala nano logam memerlukan toleransi yang lebih ketat dan ketahanan yang lebih tinggi terhadap panas dan keausan. Printer-printer ini memerlukan kemajuan terbaru mulai dari algoritma pencetakan yang disempurnakan hingga ujung printer yang diciptakan ulang untuk memungkinkan cetakan kecil yang akurat. Saat ini, tim mampu bekerja dengan tembaga, perak, nikel, paduan nikel-mangan, dan paduan nikel-kobalt. Dr. Momotenko dan tim peneliti berhasil membuat kolom spiral tembaga berukuran 25 nanometer atau 195 atom tembaga sebagai bagian dari studi mereka yang diterbitkan dalam Journal of Nanotechnologies pada 2021. Memanfaatkan metode yang dibuat oleh Dr. Momotenko dan rekannya Julian Hengsteler, mekanisme umpan balik digunakan bersama dengan kepala ekstrusi untuk memediasi proses retraksi yang diperlukan untuk mencegah nozzle mengeras di tengah cetakan. Cetakan terbentuk satu lapis demi satu lapis dengan kecepatan beberapa nanometer per detik.

Kolom tembaga skala nano cetak 3D. Kredit Foto kepada Nano Letters.

Waktu sangat berharga

Mencetak objek spiral datar sangat mendukung kemajuan penyimpanan dan produksi baterai. Ini mengontrol struktur nano dengan cara yang memungkinkan proton melewati baterai dengan cepat dan merata. Ini menghasilkan peningkatan laju pengisian dan pengosongan baterai. Ini akan menguntungkan industri yang bergantung pada penyimpanan energi, mulai dari baterai EV, hingga rumah off-grid, atau kebutuhan penyimpanan peternakan server data yang tidak boleh mati karena kegagalan jaringan listrik.

Pertama datang risiko

Untuk mengurangi risiko yang terkait dengan produksi baterai lithium-ion, ruang tertutup khusus diisi dengan gas argon inert bertekanan positif. Berukuran untuk menampung printer dalam lingkungan inert, ruang tersebut panjangnya 10 kaki dan beratnya hampir 1000 lbs. Bagaimana baterai akan mengelola panas yang dihasilkan oleh reaksinya ketika diisi hingga kapasitas penuh? “Di satu sisi, kami sedang mengerjakan kimia yang diperlukan untuk memproduksi bahan elektroda aktif pada skala nano; di sisi lain, kami berusaha menyesuaikan teknologi pencetakan dengan bahan-bahan ini,” kata Dr. Momotenko.

Kemudian datang kemajuan

Mengandalkan teknologi elektroplating yang ada, mereka mampu mengadaptasi metode ini (ion tembaga bermuatan positif dengan elektroda bermuatan negatif di dalam larutan garam). Ujung ekstrusi yang dikembangkan tim telah memungkinkan mereka mencetak 3D pada skala nano, dibandingkan dengan printer 3D berbasis bubuk saat ini yang terbatas pada mikron. Teknologi baterai hanyalah kasus penggunaan pertama, Dr. Momotenko memiliki konsep berani lainnya dalam pikiran. Dia berencana menggunakan teknologi pencetakan ini untuk memanfaatkan bidang yang lebih muda yang disebut spintronik, yang menargetkan kemampuan untuk memanipulasi “spin” – sifat mekanika kuantum dari elektron. Dia juga berencana memproduksi sensor yang mampu mendeteksi molekul individu. Ini akan membantu mendeteksi Alzheimer, yang terkenal dengan jumlah biomarker yang sangat kecil. Bahkan setelah mengembangkan teknologi ini, tim tetap takjub dengan kemampuan menciptakan objek yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia tanpa bantuan.