ナノスケール3Dプリンティングが現実に近づいている

ナノスケール3Dプリンティングとは、ナノメートル単位の物体を3Dプリンティングする技術です。例えば、1ミリメートルには1,000,000ナノメートルがあります。サイズや大きさのないことを理解するために、人間の髪の毛の径は75,000〜100,000ナノメートルです。

ナノスケール3Dプリンティングの探索

この微小なスケールでは、より小さなコンピュータチップや1枚のプリントされたコンピュータボード、ナノスケールの金属部品など、さまざまな業界を変革する可能性のある製品が存在します。

このブレークスルーは、効率を向上させ、小さな部品の生産性を高めることになります。

マイクロエレクトロニクス、ナノロボティクス、センサーテクノロジーなどの業界は、精度を損なうことなくナノスケールで作成する能力から利益を得ることができます。現在、アメリカの大学では、精度を維持しながらナノスケールで印刷するさまざまな方法を研究しています。

これらの機関の中には、電気技術の進歩に重点を置いているものもあり、他には、タンパク質、グリカン、または遺伝子の不動化を含む光化学反応を利用するナノ印刷方法に注目しています。

ナノスケールで印刷された合成材料やプラスチックは、長年にわたってこのスケールで印刷できることから利益を得ています。ただし、科学者が金属オブジェクトをこのサイズで正確に印刷するブレークスルーは、過去2〜3年で初めて実現しました。

このスケールでの金属3Dプリンティングにより、科学者は原子単位でオブジェクトを組み立てることができます。

ナノスケール3Dプリンティングソリューション

ドミトリー・モモテンコ博士は、ケミストリー研究所のジュニア研究グループを率いています。彼は、この技術がチームに、現在の技術よりも1000倍以上速く充電および放電できるバッテリーを3Dプリンティングできるようにすることを信じています。彼の発言の中には、次のものがあります。“もしもそれが今日実現できたら、EVは数秒で充電できるようになるでしょう”。

目標は、バッテリセルのイオン間の経路を指数関数的に短縮することです。ナノスケール3Dプリンティングにより、チームは20年前に提案されたアイデアを再検討し、バッテリー内部構造を電子が一気に通過できるように3Dプリンティングすることができます。

ナノロボティクス（ナノスケールマイクロチップ）とマイクロエレクトロニクスは、25マイクロンの精度で金属構造を正確に印刷できるため、同等に利益を得ることができます。

ナノスケール3Dプリンターテクノロジー

オルデンブルク大学のケミスト、リシアン・ハサノバは、ナノスケールで印刷するための特殊なノズルチップを作成するように指示されています。通常のシリカガラスチューブから始めて、1mm厚のキャピラリチューブを青い液体で挿入します。電気を加えると反応が起こり、大きな音が鳴ります。チューブを取り除くと、必要なサイズの穴が現れます。“レーザービームがデバイス内でチューブを加熱し、引き裂きます。次に、急激に引張力を増加させてガラスが真ん中で破裂し、非常に鋭いチップが形成されます”とハサノバは説明しています。ハサノバは、オルデンブルク大学の電気化学ナノテクノロジーグループで化学の博士号を取得中です。

大学のウェクロイキャンパスには、自社で設計・プログラムした3台のプリンターがあります。これらは、現在の消費者向け3Dプリンターと同様の概念ですが、サイズが小さく異なります。

これらのプリンターは精度に重点を置いており、大きな花崗岩のベースにフォームを重ねて、印刷プロセスで生じる振動を軽減するように設計されています。これらのステップにより、3Dプリンターを正確に制御し、小さなスケールでの精度を高めることができます。従来の粉末ベースの金属3Dプリンターは、ミクロンレベルの解像度しか達成できないため、1000倍のサイズ差があります。

プリンターの環境も考慮されており、チームは研究所の照明を考慮して、交互に流れる電流によって生じる電磁干渉を軽減するために、電池駆動の照明を使用しています。

金属ナノ構造の小さな見方

ナノスケールで印刷されたプラスチック分子は、強度がなく、熱耐性が低いため、構造的な形状に簡単に操作できます。プラスチックの可塑性により、科学者はプラスチックをより小さな形状に操作できます。この使いやすさにより、最近の印刷技術の進歩がもたらされました。

一方、ナノスケール3Dプリンティングでは、金属ではより厳格な公差と、熱および摩耗に対する高い耐性が必要です。これらのプリンターでは、精密な印刷に必要なアルゴリズムの進歩やプリンターチップの再発明が必要でした。

現在、チームは銅、銀、ニッケル、ニッケルマンガン、ニッケルコバルト合金を扱うことができます。モモテンコ博士と研究者チームは、2021年にジャーナル・オブ・ナノテクノロジーに発表した研究の一環として、25ナノメートル（195個の銅原子）の大きさの銅のスパイラルコラムを作成することに成功しました。モモテンコ博士とジュリアン・ヘンストラーが開発した方法を使用して、フィードバックメカニズムが押出頭とともに使用され、印刷中のノズルの固化を防ぐために必要な引き戻しプロセスを媒介します。印刷物は1秒あたり数ナノメートルの速度で層ごとに形成されます。

ナノスケールの銅コラムを3Dプリンティング。写真提供：Nano Letters。

時間は本質

平面スパイラルオブジェクトを印刷することは、バッテリーストレージと生産の進歩に役立ちます。ナノ構造を制御し、プロトンがバッテリーを素早く均一に通過できるようにします。これにより、バッテリーの充電率と放電率が向上します。

これは、EVバッテリー、オフグリッドホーム、または電力網の故障でオフラインになることができないデータサーバーファームのストレージ要件など、エネルギーストレージに依存する業界に利益をもたらします。

リスクが最初に来る

リチウムイオンバッテリーの生産に関連するリスクを軽減するために、専用の密封チャンバーが正圧の不活性アルゴンガスで満たされます。プリンターを収容するように設計されたチャンバーは、10フィートの長さで、重量は約1000ポンドです。

バッテリーは、充電容量が最大になると、反応によって生じる熱をどのように管理するのでしょうか？“一方で、ナノスケールで活性電極材料を生産するために必要な化学を研究しています。他方で、印刷技術をこれらの材料に適応させようとしています”とモモテンコ博士は述べています。

次に進歩が来る

既存の電着技術を利用して、正電荷の銅イオンと塩溶液内の負電荷の電極を適応させました。チームが開発した押出チップにより、ナノスケールで3Dプリンティングが可能になりました。現在の粉末ベースの3Dプリンターはミクロンに限定されます。

バッテリーテクノロジーは最初のユースケースですが、モモテンコ博士は他の大胆な概念も計画しています。スピントロニクスと呼ばれる若い分野を活用し、電子の量子力学的特性である”スピン”を操作することを計画しています。

彼はまた、個々の分子を検出できるセンサーを製造することを計画しています。これにより、バイオマーカーがごく少量であることで有名なアルツハイマー病の検出が助けられます。

この技術を開発した後も、チームは人間の目で補助なしに見ることができないオブジェクトを作成する能力に感銘を受けています。