La stampa 3D su nanoscala si sta avvicinando alla realtà

La stampa 3D su nanoscala è la capacità di stampare in 3D oggetti misurati in nanometri. Ad esempio, ci sono 1,000,000 di nanometri in 1 millimetro. Per comprendere meglio la dimensione o la sua mancanza, dovremmo fare riferimento alla dimensione di un capello umano, che ha un diametro di 75,000-100,000 nanometri.

Esplorare la stampa 3D su scala nanometrica

Questa scala microscopica ospita una serie di prodotti potenzialmente rivoluzionari per il settore, dai chip per computer più piccoli e dalle schede per computer stampate da 1 pezzo alle parti metalliche in nanoscala che consentono di caricare/scaricare più velocemente le batterie.

Questa innovazione migliorerà l'efficienza e aumenterà la produttività delle parti più piccole.

Settori come la microelettronica, la nanorobotica e le tecnologie dei sensori trarranno vantaggio dalla capacità di creare su scala così nanometrica senza compromettere la precisione. In questo momento le università in tutta l'America stanno ricercando diversi modi per stampare su scala nanometrica mantenendo la precisione richiesta dai rispettivi settori.

Molti di questi istituti si stanno concentrando sui progressi nelle tecnologie elettriche, mentre altri hanno gli occhi puntati sui metodi di nanostampa che utilizzano reazioni fotochimiche tra cui l'immobilizzazione di proteine, glicani o geni. 

I materiali sintetici e la plastica stampati su scala nanometrica hanno a lungo beneficiato della capacità di stampare su questa scala, è solo nei 2-3 anni precedenti che gli scienziati hanno compiuto progressi nella stampa di oggetti metallici con precisione a queste dimensioni.

La stampa 3D del metallo su questa scala consente agli scienziati di assemblare un oggetto atomo per atomo. 

Soluzioni di stampa 3D su scala nanometrica 

Dott. Dmitry Momotenko, che guida il gruppo di ricerca junior presso l’Istituto di Chimica, ritiene che questa tecnologia consentirà al suo team di stampare in 3D batterie che possono ricaricarsi e scaricarsi a velocità superiori a 1000 volte più veloci rispetto alle attuali tecnologie concorrenti. Alcune delle sue dichiarazioni includono: "Se ciò può essere realizzato oggi, i veicoli elettrici possono essere caricati in pochi secondi".

L'obiettivo è ridurre esponenzialmente i percorsi tra gli ioni nella cella della batteria. La stampa 3D su scala nanometrica consentirà al suo team di rivisitare questa idea ventennale, nella speranza di riuscire a stampare in 20D le strutture interne delle batterie in modo che gli elettroni possano attraversare l'intera cella contemporaneamente, anziché doverla attraversare da un lato all'altro.

Con la capacità di stampare con precisione strutture metalliche fino a 25 micron sia nl'anorobotica (microchip su nanoscala) e la microelettronica beneficeranno ugualmente di questa tecnologia.

Tecnologie di stampa 3D su scala nanometrica 

Il chimico Liaisan Khasanova al Università di Oldenburg ha il compito di creare la punta dell'ugello specializzata necessaria per stampare su scala nanometrica. Partendo da un normale tubo di vetro di silice, viene inserito un tubo capillare spesso 1 mm con un liquido blu. Una volta applicata l'elettricità, avviene una reazione che provoca un forte scoppio. Il tubo viene quindi rimosso rivelando un foro abbastanza piccolo da soddisfare le loro esigenze. “Un raggio laser all'interno del dispositivo riscalda il tubo e lo separa. Quindi aumentiamo improvvisamente la forza di trazione in modo che il vetro si rompa nel mezzo e si formi una punta molto affilata", spiega Khasanova, che sta lavorando al suo dottorato di ricerca. in chimica nel gruppo di nanotecnologie elettrochimiche presso il Università di Oldenburg, Germania.

Presso l'Università Wechloy Il laboratorio, situato nel campus, dispone di 3 stampanti costruite e programmate internamente secondo i più rigorosi standard qualitativi. Simili nel concetto alle attuali stampanti 3D consumer, ma con una piccola differenza: le dimensioni.

Queste stampanti si concentrano sulla precisione, utilizzando grandi basi in granito stratificate con schiuma per aiutare a ridurre le vibrazioni create dal processo di stampa. Questi passaggi aiutano a controllare con precisione la stampante 3D con conseguente maggiore precisione su scale più piccole. Le stampanti 3D convenzionali in metallo a base di polvere sono in grado di raggiungere solo risoluzioni a livello di micron, una differenza dimensionale di 1000 volte.  

Anche l'ambiente in cui si trova la stampante è stato preso in considerazione: il team ha preso in considerazione le luci del laboratorio per evitare interferenze elettromagnetiche. Utilizzano luci alimentate a batteria per isolare il campo elettromagnetico generato dalle correnti alternate.

Un piccolo sguardo alle nanostrutture metalliche

Le molecole di plastica stampate su scala nanometrica possono essere facilmente manipolate in forme strutturali data la loro mancanza di forza e tolleranze di calore inferiori. La natura malleabile della plastica offre agli scienziati la possibilità di manipolare la plastica in forme più piccole. Questa facilità d'uso ha portato alla maggior parte dei recenti progressi nella tecnologia di stampa.

In confronto, la stampa 3D in nanoscala metallica richiede tolleranze più strette e una maggiore resistenza sia al calore che all'usura. Queste stampanti hanno richiesto recenti progressi da raffinati algoritmi di stampa a punte di stampa reinventate per consentire stampe piccole e accurate. 

Attualmente il team è in grado di lavorare leghe di rame, argento, nichel, nichel-manganese e nichel-cobalto. Il dottor Momotenko e un team di ricercatori sono riusciti a creare colonne a spirale di rame di 25 nanometri o 195 atomi di rame come parte dei loro studi pubblicati nel Rivista di nanotecnologie nel 2021. Utilizzando un metodo creato dal Dr. Momotenko e dal suo collega Julian Hengsteler, viene utilizzato un meccanismo di feedback insieme alla testina di estrusione per mediare il processo di retrazione necessario per evitare che l'ugello si solidifichi a metà stampa. Le stampe prendono forma uno strato alla volta a velocità di pochi nanometri al secondo. 

Colonne di rame in nanoscala stampate in 3D. Credito fotografico a Nano Letters.

Tempo è dell'essenza

La stampa di oggetti a spirale piatta si presta bene ai progressi della conservazione e della produzione di batterie. Controlla le nanostrutture in modo da consentire ai protoni di passare attraverso la batteria in modo rapido e uniforme. Ciò si traduce in una maggiore velocità di carica e velocità di scarica delle batterie.

Ciò andrà a vantaggio delle industrie che fanno affidamento sullo stoccaggio di energia, dalle batterie dei veicoli elettrici, alle case off-grid o ai requisiti di archiviazione delle server farm di dati che non possono mai andare offline a causa di un guasto alla rete elettrica.

Prima viene il rischio

Per mitigare i rischi associati alla produzione di batterie agli ioni di litio, le camere sigillate specializzate sono riempite con un gas argon inerte a pressione positiva. Dimensionata per ospitare la stampante in un ambiente inerte, la camera è lunga 10 piedi e pesa quasi 1000 libbre.

In che modo la batteria gestirà il calore prodotto dalla sua reazione quando viene caricata a piena capacità? “Da un lato, stiamo lavorando sulla chimica necessaria per produrre materiali per elettrodi attivi su scala nanometrica; dall'altro stiamo cercando di adattare la tecnologia di stampa a questi materiali” dice il dottor Momotenko.

Poi arriva il progresso

Basandosi sulle tecnologie di galvanica esistenti, sono stati in grado di adattare questo metodo (ioni di rame caricati positivamente con un elettrodo caricato negativamente all'interno della soluzione salina). IL estrusione punta che il team ha sviluppato ha permesso loro di stampare in 3D su scala nanometrica, rispetto alle attuali stampanti 3D a base di polvere che sono limitate a micron.

La tecnologia delle batterie è solo il primo caso d'uso, il dottor Momotenko ha in mente altri concetti audaci. Ha in programma di utilizzare questa tecnologia di stampa per capitalizzare un campo più giovane chiamato spintronica, che mira alla capacità di manipolare lo "spin" - una proprietà quantomeccanica degli elettroni.

Ha in programma anche di realizzare sensori in grado di rilevare singole molecole. Ciò contribuirebbe a diagnosticare l'Alzheimer, noto per la presenza di quantità frazionarie di biomarcatori. 

Anche dopo aver sviluppato questa tecnologia, il team rimane sbalordito dalla capacità di creare oggetti che l'occhio umano non è in grado di vedere senza assistenza.