La stampa 3D a scala nanometrica si avvicina alla realtà

La stampa 3D a scala nanometrica è la capacità di stampare oggetti misurati in nanometri. Ad esempio, ci sono 1.000.000 di nanometri in 1 millimetro. Per comprendere meglio la dimensione o la mancanza di essa, dovremmo fare riferimento alla dimensione di un capello umano, che è di 75.000-100.000 nanometri di diametro.

Esplorazione della stampa 3D a scala nanometrica

Questa scala microscopica ospita una serie di prodotti potenzialmente innovativi per l’industria, dalle schede computer più piccole e schede computer stampate a scala nanometrica a parti metalliche a scala nanometrica che consentono una maggiore velocità di carica e scarica per le batterie.

Questo progresso migliorerà l’efficienza e aumenterà la produttività di parti più piccole.

Industrie come la microelettronica, la nanorobotica e le tecnologie dei sensori trarranno beneficio dalla capacità di creare a questa scala nanometrica senza compromettere la precisione. Attualmente, le università in America stanno conducendo ricerche su diversi modi per stampare a scala nanometrica mentre mantengono la precisione richiesta dalle loro rispettive industrie.

Alcuni di questi istituti si concentrano su progressi nelle tecnologie elettriche, mentre altri hanno gli occhi puntati su metodi di stampa a scala nanometrica che utilizzano reazioni fotochimiche, compresa l’immobilizzazione di proteine, glicani o geni.

I materiali sintetici e le plastiche stampate a scala nanometrica hanno a lungo beneficiato della capacità di stampare a questa scala, ma è solo negli ultimi 2-3 anni che gli scienziati hanno fatto progressi nella stampa di oggetti metallici con precisione a questa scala.

La stampa 3D di metalli a questa scala consente agli scienziati di assemblare un oggetto atomo per atomo.

Soluzioni di stampa 3D a scala nanometrica

Dr. Dmitry Momotenko, che guida il gruppo di ricerca junior presso l’Istituto di Chimica, ritiene che questa tecnologia consentirà al suo team di stampare batterie che possono ricaricarsi e scaricarsi a ritmi superiori a 1000 volte rispetto alle tecnologie attuali. Alcune delle sue dichiarazioni includono: “Se questo può essere raggiunto oggi, le auto elettriche possono essere caricate in pochi secondi”.

L’obiettivo è quello di ridurre esponenzialmente i percorsi tra gli ioni nella cella della batteria. La stampa 3D a scala nanometrica consentirà al suo team di rivedere questa idea ventennale nella speranza di poter stampare le strutture interne delle batterie in modo che gli elettroni possano passare attraverso l’intera cella in una sola volta, anziché dover passare da un lato all’altro della cella.

Con la capacità di stampare strutture metalliche con precisione fino a 25 micron, sia la nanorobotica (microchip a scala nanometrica) che la microelettronica trarranno beneficio da questa tecnologia.

Tecnologie di stampa 3D a scala nanometrica

La chimica Liaisan Khasanova presso l’Università di Oldenburg è incaricata di creare la punta della bocchetta specializzata necessaria per stampare a scala nanometrica. Partendo da un tubo di vetro di silice ordinario, un tubo capillare spesso 1 mm viene inserito con un liquido blu. Una volta applicata l’elettricità, si verifica una reazione che produce un forte bang. 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 tira a parte. Quindi aumentiamo improvvisamente la forza di trazione in modo che il vetro si rompa nel mezzo e si formi una punta molto appuntita,” spiega Khasanova, che sta lavorando al suo dottorato in chimica nel Gruppo di Nanotecnologia Elettrochimica presso l’Università di Oldenburg, in Germania.

Nel campus Wechloy dell’Università, il laboratorio dispone di 3 stampanti costruite e programmate in casa secondo i loro standard esigenti. Simili per concetto alle stampanti 3D per consumatori di oggi, ma con una piccola differenza – la dimensione.

Queste stampanti si concentrano sulla precisione, utilizzando basi di granito grandi con schiuma per assistere nella riduzione delle vibrazioni create dal processo di stampa. Questi passaggi aiutano a controllare con precisione la stampante 3D, risultando in una maggiore precisione a scale più piccole. Le stampanti 3D a base di polvere metallica convenzionali sono in grado di raggiungere solo risoluzioni a livello di micron, una differenza di dimensione di 1000 volte.

L’ambiente della stampante è anche un fattore, il team ha preso in considerazione le luci nel loro laboratorio a causa dell’interferenza elettromagnetica. Utilizzano luci alimentate a batteria per aiutare a isolare il campo elettromagnetico generato dalle correnti alternate.

Un piccolo sguardo alle nanostrutture metalliche

Le molecole di plastica stampate a scala nanometrica possono essere facilmente manipolate in forme strutturali grazie alla loro mancanza di forza e alla loro bassa tolleranza al calore. La natura malleabile della plastica offre agli scienziati la capacità di manipolare la plastica in forme più piccole. Questa facilità d’uso ha portato alla maggior parte dei recenti progressi nella tecnologia di stampa.

Al contrario, la stampa 3D di metalli a scala nanometrica richiede tolleranze più strette e una maggiore resistenza al calore e all’usura. Queste stampanti richiedono progressi recenti dagli algoritmi di stampa raffinati alle punte di stampa reinventate per consentire stampe piccole e precise.

Attualmente, il team è in grado di lavorare con rame, argento, nichel, leghe di nichel-manganese e nichel-cobalto. Il Dr. Momotenko e un team di ricercatori sono riusciti a creare colonne spiralate di rame di 25 nanometri o 195 atomi di rame di dimensione come parte dei loro studi pubblicati sulla Rivista di Nanotecnologie nel 2021. Utilizzando un metodo creato dal Dr. Momotenko e dal suo collega Julian Hengsteler, un meccanismo di feedback viene utilizzato in congiunzione con la testa di estrusione per mediare il processo di ritrazione necessario per evitare che la bocchetta si solidifichi durante la stampa. Le stampe si formano uno strato alla volta a velocità di pochi nanometri al secondo.

Stampa 3D di colonne di rame a scala nanometrica. Foto di Nano Letters.

Il tempo è essenziale

La stampa di oggetti piatti spiralati si presta bene ai progressi dell’archiviazione e della produzione delle batterie. Controlla le nanostrutture in un modo che consente ai protoni di passare attraverso la batteria in modo rapido e uniforme. Ciò risulta in batterie con velocità di carica e scarica migliorate.

Ciò beneficerà le industrie che dipendono dall’archiviazione dell’energia, dalle batterie per auto elettriche alle case fuori rete o alle esigenze di archiviazione dei data center che non possono mai andare offline a causa di un guasto nella rete elettrica.

Prima arriva il rischio

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

Come gestirà la batteria il calore prodotto dalla sua reazione quando è carica a piena capacità? “Da un lato, stiamo lavorando sulla chimica necessaria per produrre materiali elettrodi attivi a scala nanometrica; dall’altro, stiamo cercando di adattare la tecnologia di stampa a questi materiali,” dice il Dr. Momotenko.

Quindi arriva il progresso

Facendo affidamento sulle tecnologie di elettrodeposito esistenti, sono riusciti ad adattare questo metodo (ioni di rame carichi positivamente con un elettrodo carico negativamente nella soluzione salina). La punta di estrusione sviluppata dal team ha consentito loro di stampare a scala nanometrica, rispetto alle stampanti 3D a base di polvere attuali che sono limitate ai micron.

La tecnologia delle batterie è solo il primo caso d’uso, il Dr. Momotenko ha altri concetti audaci in mente. Pianifica di utilizzare questa tecnologia di stampa per sfruttare un campo più giovane chiamato spintronica, che si concentra sulla capacità di manipolare lo “spin” – una proprietà meccanica quantistica degli elettroni.

Pianifica anche di produrre sensori in grado di rilevare molecole individuali. Ciò aiuterebbe a rilevare l’Alzheimer, noto per le sue quantità frazionarie di biomarcatori.

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