Pencetakan 3D Skala Nano Semakin Mendekati Kenyataan

Pencetakan 3D skala nano adalah kemampuan untuk mencetak objek yang diukur dalam nanometer. Sebagai contoh, ada 1.000.000 nanometer dalam 1 milimeter. Untuk lebih memahami ukuran atau ketiadaannya, kita harus merujuk pada ukuran satu helai rambut manusia, yang memiliki diameter 75.000-100.000 nanometer.

Mengexplorasi Pencetakan 3D Skala Nano

Skala mikroskopis ini memiliki potensi untuk menghasilkan produk yang dapat mengubah industri, dari chip komputer yang lebih kecil dan papan sirkuit tercetak satu pcs hingga struktur logam skala nano yang memungkinkan pengisian dan pengosongan baterai lebih cepat.

Terobosan ini akan meningkatkan efisiensi dan produktivitas komponen yang lebih kecil.

Industri seperti mikroelektronika, nanorobotika, dan teknologi sensor akan mendapat manfaat dari kemampuan untuk menciptakan pada skala nano tanpa mengorbankan akurasi. Saat ini, universitas di seluruh Amerika sedang melakukan penelitian tentang cara mencetak pada skala nano sambil mempertahankan akurasi yang dibutuhkan oleh industri masing-masing.

Beberapa institusi ini fokus pada kemajuan teknologi listrik, sementara yang lain memusatkan perhatian pada metode pencetakan nano yang menggunakan reaksi foto kimia, termasuk imobilisasi protein, glikan, atau gen.

Bahan sintetis dan plastik yang dicetak skala nano telah lama mendapat manfaat dari kemampuan untuk mencetak pada skala ini, tetapi baru-baru ini para ilmuwan membuat terobosan dalam mencetak objek logam secara akurat hingga ukuran ini.

Pencetakan 3D logam pada skala ini memungkinkan para ilmuwan untuk merakit objek atom per atom.

Solusi Pencetakan 3D Skala Nano

Dr. Dmitry Momotenko, yang memimpin grup penelitian junior di Institut Kimia, percaya bahwa teknologi ini akan memungkinkan timnya untuk mencetak baterai yang dapat diisi ulang dan dikosongkan dengan kecepatan lebih dari 1000 kali lipat daripada teknologi yang ada saat ini. Beberapa pernyataannya termasuk: “Jika itu dapat dicapai hari ini, EV dapat diisi dalam beberapa detik”.

Tujuannya adalah untuk mempersingkat jalur antara ion dalam sel baterai. Pencetakan 3D skala nano akan memungkinkan timnya untuk mengembangkan kembali ide 20 tahun lalu ini dengan harapan dapat mencetak struktur internal baterai dengan cara yang memungkinkan elektron melewati seluruh sel sekaligus, bukan harus melewati dari satu sisi sel ke sisi lain.

Dengan kemampuan untuk mencetak struktur logam secara akurat hingga 25 mikron, baik nanorobotika (mikrochip skala nano) dan mikroelektronika akan sama-sama mendapat manfaat dari teknologi ini.

Teknologi Pencetakan 3D Skala Nano

Kimiawan Liaisan Khasanova di Universitas Oldenburg bertugas untuk membuat ujung nozzle khusus yang diperlukan untuk mencetak pada skala nano. Dimulai dengan tabung kaca silika biasa, tabung kapiler 1mm tebal dimasukkan dengan cairan biru. Setelah listrik diterapkan, reaksi terjadi yang menghasilkan ledakan keras. Tabung kemudian dilepas, menampilkan lubang yang cukup kecil untuk memenuhi kebutuhan mereka. “Laser di dalam perangkat memanaskan tabung dan menariknya terpisah. Kemudian kita tiba-tiba meningkatkan gaya tarik sehingga kaca pecah di tengah dan ujung yang sangat tajam terbentuk,” jelas Khasanova, yang sedang mengerjakan Ph.D.-nya dalam kimia di Kelompok Nanoteknologi Elektrokimia di Universitas Oldenburg, Jerman.

Di kampus Wechloy universitas, laboratorium ini memiliki 3 printer yang dibangun dan diprogram secara internal sesuai dengan standar yang ketat. Mirip dengan konsep printer 3D konsumen saat ini, tetapi dengan satu perbedaan kecil – ukurannya.

Printer ini fokus pada akurasi, menggunakan dasar granit besar yang dilapisi dengan busa untuk membantu mengurangi getaran yang dihasilkan oleh proses pencetakan. Langkah-langkah ini membantu mengontrol printer 3D dengan lebih presisi, menghasilkan akurasi yang lebih tinggi pada skala yang lebih kecil. Printer 3D logam berbasis serbuk konvensional hanya mampu mencapai resolusi tingkat mikron, perbedaan ukuran sebesar 1000 kali lipat.

Lingkungan printer juga menjadi pertimbangan, tim telah mempertimbangkan pencahayaan di laboratorium mereka karena interferensi elektromagnetik. Mereka menggunakan lampu bertenaga baterai untuk membantu mengisolasi medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh arus bolak-balik.

Tinjauan Kecil tentang Struktur Logam Nano

Molekul plastik yang dicetak skala nano dapat dengan mudah dimanipulasi menjadi bentuk struktural karena kekurangan kekuatan dan toleransi panas yang lebih rendah. Sifat yang dapat dibentuk dari plastik memberikan para ilmuwan kemampuan untuk memanipulasi plastik menjadi bentuk yang lebih kecil. Kemudahan penggunaan ini telah menghasilkan sebagian besar kemajuan dalam teknologi pencetakan.

Dibandingkan dengan itu, pencetakan 3D logam skala nano memerlukan toleransi yang lebih ketat dan resistensi yang lebih tinggi terhadap panas dan keausan. Printer ini memerlukan kemajuan dari algoritma pencetakan yang diperbarui hingga ujung printer yang direinventasi untuk memungkinkan pencetakan yang akurat dan kecil.

Saat ini, tim dapat bekerja dengan tembaga, perak, nikel, nikel-mangan, dan alloy nikel-kobalt. Dr. Momotenko dan tim peneliti berhasil menciptakan kolom spiral tembaga 25 nanometer atau 195 atom tembaga dalam ukuran sebagai bagian dari studi mereka yang dipublikasikan di Jurnal Nanoteknologi pada 2021. Menggunakan metode yang dibuat oleh Dr. Momotenko dan rekanannya Julian Hengsteler, mekanisme umpan balik digunakan bersama dengan kepala ekstrusi untuk mengatur proses penarikan yang diperlukan untuk mencegah nozzle mengeras di tengah pencetakan. Pencetakan terbentuk satu lapis demi satu lapis dengan kecepatan beberapa nanometer per detik.

Pencetakan 3D skala nano kolom tembaga. Foto Kredit ke Nano Letters.

Waktu adalah Esensi

Pencetakan objek spiral datar sangat mendukung kemajuan penyimpanan baterai dan produksi. Ini mengontrol nanostruktur dengan cara yang memungkinkan proton melewati baterai dengan cepat dan merata. Ini menghasilkan baterai dengan tingkat pengisian dan pengosongan yang ditingkatkan.

Ini akan mendukung industri yang bergantung pada penyimpanan energi, dari baterai EV, rumah off-grid, atau persyaratan penyimpanan server data yang tidak pernah offline karena kegagalan grid listrik.

Risiko Pertama

Untuk memitigasi risiko yang terkait dengan produksi baterai ion litium, ruang yang tertutup khusus diisi dengan gas argon inert yang bertekanan positif. Ukuran ruang ini dirancang untuk menampung printer dalam lingkungan inert, dengan panjang 10 kaki dan berat sekitar 1000 pon.

Bagaimana baterai akan mengelola panas yang dihasilkan oleh reaksinya ketika diisi penuh? “Di satu sisi, kami bekerja pada kimia yang diperlukan untuk menghasilkan bahan elektroda aktif pada skala nano; di sisi lain, kami berusaha untuk menyesuaikan teknologi pencetakan dengan bahan-bahan ini,” kata Dr. Momotenko.

Kemudian Datanglah Kemajuan

Mengandalkan teknologi pelapisan elektro yang ada, mereka dapat menyesuaikan metode ini (ion tembaga bermuatan positif dengan elektroda bermuatan negatif di dalam larutan garam). Ujung ekstrusi yang dikembangkan oleh tim ini telah memungkinkan mereka untuk mencetak 3D pada skala nano, dibandingkan dengan printer 3D berbasis serbuk yang ada saat ini yang terbatas pada mikron.

Teknologi baterai hanya merupakan kasus penggunaan pertama, Dr. Momotenko memiliki konsep yang lebih berani dalam pikiran. Ia berencana untuk menggunakan teknologi pencetakan ini untuk memanfaatkan bidang yang lebih muda yang disebut spintronika, yang menargetkan kemampuan untuk memanipulasi “spin” – sebuah sifat kuantum mekanik dari elektron.

Ia juga berencana untuk memproduksi sensor yang dapat mendeteksi molekul individu. Ini akan membantu dalam mendeteksi Alzheimer, yang terkenal karena jumlah biomarker yang sangat kecil.

Bahkan setelah mengembangkan teknologi ini, tim tetap terkesan dengan kemampuan untuk menciptakan objek yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia tanpa bantuan.