ნანომასშტაბიანი 3D ბეჭდვა რეალობას უახლოვდება

ნანომასშტაბიანი 3D ბეჭდვა არის ნანომეტრებში გაზომილი ობიექტების 3D ბეჭდვის შესაძლებლობა. მაგალითად, 1,000,000 მილიმეტრში არის 1 75,000 100,000 ნანომეტრი. მისი ზომის ან ნაკლებობის უკეთ გასაგებად, უნდა მივმართოთ ერთი ადამიანის თმის ზომას, რომელიც დიამეტრის XNUMX XNUMX-XNUMX XNUMX ნანომეტრია.

ნანო მასშტაბის 3D ბეჭდვის შესწავლა

ეს მიკროსკოპული მასშტაბის მასპინძელი არის პოტენციური ინდუსტრიის დამრღვევი პროდუქტების მასივი, პატარა კომპიუტერის ჩიპებიდან და 1 ცალი დაბეჭდილი კომპიუტერის დაფებიდან ნანომასშტაბიანი ლითონის ნაწილებამდე, რაც საშუალებას აძლევს ბატარეების უფრო სწრაფ დატენვას/განმუხტვას.

ეს გარღვევა გააუმჯობესებს ეფექტურობას და გაზრდის მცირე ნაწილების პროდუქტიულობას.

ისეთი ინდუსტრიები, როგორიცაა მიკროელექტრონიკა, ნანორობოტიკა და სენსორული ტექნოლოგიები, სარგებლობენ ასეთი ნანომასშტაბიანი შექმნის შესაძლებლობით, სიზუსტის კომპრომისის გარეშე. Ამ დროს უნივერსიტეტებში მთელ ამერიკაში იკვლევენ ნანო მასშტაბით ბეჭდვის სხვადასხვა გზებს, იმავდროულად ინარჩუნებენ შესაბამის ინდუსტრიებს საჭირო სიზუსტეს.

ამ ინსტიტუტებიდან რამდენიმე ყურადღებას ამახვილებს ელექტრული ტექნოლოგიების წინსვლაზე, ზოგი კი ნანო-ბეჭდვის მეთოდებზეა ორიენტირებული, რომელიც იყენებს ფოტოქიმიურ რეაქციებს, ცილების, გლიკანების ან გენების იმობილიზაციას. 

ნანომასშტაბიანი დაბეჭდილი სინთეზური მასალები და პლასტმასები დიდი ხანია სარგებლობენ ამ მასშტაბის ბეჭდვის შესაძლებლობით, მხოლოდ წინა 2-3 წლის განმავლობაში მეცნიერებმა მიაღწიეს გარღვევას ამ ზომის ლითონის ობიექტების ზუსტად ბეჭდვაში.

ამ მასშტაბის ლითონის 3D ბეჭდვა მეცნიერებს საშუალებას აძლევს შეაგროვონ ობიექტი ატომ-ატომ. 

ნანომასშტაბიანი 3D ბეჭდვის გადაწყვეტილებები 

დოქტორი დიმიტრი მომოტენკო, რომელიც ხელმძღვანელობს უმცროსი კვლევის ჯგუფს ქიმიის ინსტიტუტი, თვლის, რომ ეს ტექნოლოგია მის გუნდს საშუალებას მისცემს 3D დაბეჭდოს ბატარეები, რომლებსაც შეუძლიათ დატენვა და განმუხტვა 1000-ჯერ მეტი სიჩქარით, ვიდრე ამჟამინდელი კონკურენტი ტექნოლოგიები. ზოგიერთი მისი განცხადება მოიცავს: „თუ ამის მიღწევა შესაძლებელია დღეს ელექტრომომარაგების დამუხტვა შესაძლებელია წამებში“.

მიზანია ბატარეის უჯრედში იონებს შორის გზების ექსპონენციურად შემცირება. ნანომასშტაბიანი 3D ბეჭდვა მის გუნდს საშუალებას მისცემს გადახედოს ამ 20 წლიანი იდეას იმ იმედით, რომ შეძლებს ბატარეების შიდა სტრუქტურების 3D ბეჭდვას ისე, რომ ელექტრონებს საშუალებას მისცემს ერთდროულად გაიარონ მთელ უჯრედში, ვიდრე ერთიდან. უჯრედის მხარე მეორეზე.

ლითონის კონსტრუქციების ზუსტი დაბეჭდვის შესაძლებლობით 25 მიკრონიმდე ორივე nანორობოტიკა (ნანომასშტაბის მიკროჩიპები) და მიკროელექტრონიკა თანაბრად სარგებლობენ ამ ტექნოლოგიით.

ნანომასშტაბის 3D პრინტერის ტექნოლოგიები 

ქიმიკოსი ლიაისან ხასანოვა ქ ოლდენბურგის უნივერსიტეტი მას ევალება შექმნას სპეციალიზებული საქშენის წვერი, რომელიც საჭიროა ნანომასშტაბიანი ბეჭდვისთვის. ჩვეულებრივი სილიციუმის მინის მილით დაწყებული, 1 მმ სისქის კაპილარული მილი ჩასმულია ლურჯი სითხით. ელექტროენერგიის გამოყენების შემდეგ ხდება რეაქცია, რის შედეგადაც ხდება ძლიერი აფეთქება. შემდეგ მილი ამოღებულია და ავლენს საკმარისად პატარა ხვრელს მათი მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. „ლაზერის სხივი მოწყობილობის შიგნით ათბობს მილს და აშორებს მას. შემდეგ უეცრად ვზრდით დაჭიმვის ძალას ისე, რომ მინა გატყდეს შუაში და წარმოიქმნას ძალიან მკვეთრი წვერი. განმარტავს ხასანოვა, რომელიც მუშაობს დოქტორანტურაზე. ქიმიაში ელექტროქიმიური ნანოტექნოლოგიის ჯგუფში ოლდენბურგის უნივერსიტეტი, გერმანია.

უნივერსიტეტში ვეჩლოი კამპუსში, ლაბორატორიაში განთავსებულია 3 პრინტერი, რომლებიც აშენებულია და დაპროგრამებულია სახლში მათი ზუსტი სტანდარტების შესაბამისად. დღევანდელი სამომხმარებლო 3D პრინტერების კონცეფციით მსგავსია, მაგრამ ერთი მცირე განსხვავებით - ზომით.

ეს პრინტერები ყურადღებას ამახვილებენ სიზუსტეზე, იყენებენ დიდი გრანიტის ფუძეებს, რომლებიც ფენით არის დაფარული ქაფით, რათა ხელი შეუწყონ ბეჭდვის პროცესში წარმოქმნილი ვიბრაციების შემცირებას. ეს ნაბიჯები ხელს უწყობს 3D პრინტერის ზუსტად კონტროლს, რაც იწვევს უფრო მაღალ სიზუსტეს მცირე მასშტაბებში. ჩვეულებრივი ფხვნილზე დაფუძნებული ლითონის 3D პრინტერებს შეუძლიათ მხოლოდ მიკრონის დონის რეზოლუცია, ზომაში განსხვავება 1000x.  

გასათვალისწინებელია პრინტერის გარემოც, ჯგუფმა მხედველობაში მიიღო მათი ლაბორატორიის განათება ელექტრომაგნიტური ჩარევის გამო. ისინი იყენებენ ბატარეით მომუშავე ნათურებს, რათა დაეხმარონ ელექტრომაგნიტური ველის იზოლირებას ალტერნატიული დენებისაგან.

მცირე მიმოხილვა ლითონის ნანოსტრუქტურებზე

ნანო მასშტაბის დაბეჭდილი პლასტმასის მოლეკულები ადვილად მანიპულირებენ სტრუქტურულ ფორმებად მათი სიძლიერის ნაკლებობისა და დაბალი სითბოს ტოლერანტობის გათვალისწინებით. პლასტმასის ელასტიური ბუნება მეცნიერებს სთავაზობს პლასტმასით უფრო პატარა ფორმებად მანიპულირების უნარს. გამოყენების ამ სიმარტივემ განაპირობა ბეჭდვის ტექნოლოგიაში ბოლოდროინდელი მიღწევების უმეტესობა.

შედარებისთვის, მეტალის ნანომასშტაბიანი 3D ბეჭდვა მოითხოვს უფრო მკაცრ ტოლერანტობას და უფრო მაღალ წინააღმდეგობას როგორც სითბოს, ასევე ცვეთის მიმართ. ეს პრინტერები მოითხოვდნენ უახლეს წინსვლას დახვეწილი ბეჭდვის ალგორითმებიდან პრინტერების ხელახლა გამოგონებამდე, მცირე ზუსტი ბეჭდვის გასააქტიურებლად. 

ამჟამად გუნდს შეუძლია სპილენძის, ვერცხლის, ნიკელის, ნიკელ-მანგანუმის და ნიკელ-კობალტის შენადნობებთან მუშაობა. დოქტორმა მომოტენკომ და მკვლევართა ჯგუფმა წარმატებით შექმნეს სპილენძის სპირალური სვეტები 25 ნანომეტრის ან 195 სპილენძის ატომის ზომის, როგორც მათი კვლევების ნაწილი, რომელიც გამოქვეყნდა ჟურნალი Nanotechnologies 2021 წელს. დოქტორ მომოტენკოსა და მისი კოლეგის ჯულიან ჰენგსტელერის მიერ შექმნილი მეთოდის გამოყენებით, გამოხმაურების მექანიზმი გამოიყენება ექსტრუზიის თავთან ერთად, რათა შუამავლობდეს ამოწურვის პროცესს, რომელიც საჭიროა საქშენის გამაგრების თავიდან ასაცილებლად. ანაბეჭდები ყალიბდება თითო ფენად წამში რამდენიმე ნანომეტრის სიჩქარით. 

3D ბეჭდვითი ნანომასშტაბიანი სპილენძის სვეტები. ფოტო საკრედიტო ნანო წერილები.

დრო არსებითია

ბრტყელი სპირალური ობიექტების ბეჭდვა კარგად აუმჯობესებს ბატარეის შენახვისა და წარმოების განვითარებას. ის აკონტროლებს ნანოსტრუქტურებს ისე, რომ პროტონებს საშუალებას აძლევს სწრაფად და თანაბრად გაიარონ ბატარეაში. ეს იწვევს ბატარეების დატენვისა და განმუხტვის სიჩქარის გაზრდას.

ეს სარგებელს მოუტანს ენერგიის შენახვაზე დამოკიდებულ ინდუსტრიებს, EV ბატარეებიდან, ქსელის გარეთ სახლებამდე, ან მონაცემთა სერვერების მეურნეობების შენახვის მოთხოვნილებებზე, რომლებიც ვერასოდეს გადადიან ხაზგარეშე ელექტრო ქსელის გაუმართაობის გამო.

პირველი მოდის რისკი

ლითიუმ-იონური ბატარეების წარმოებასთან დაკავშირებული რისკების შესამცირებლად, სპეციალიზებული დალუქული კამერები ივსება დადებითი წნევის ინერტული არგონის გაზით. ზომის პრინტერის ინერტულ გარემოში მასპინძლობისთვის, პალატა არის 10 ფუტის სიგრძე და იწონის თითქმის 1000 ფუნტს.

როგორ მართავს ბატარეა მისი რეაქციის შედეგად წარმოქმნილ სითბოს, როდესაც ის სრული სიმძლავრით არის დამუხტული? „ერთის მხრივ, ჩვენ ვმუშაობთ ქიმიაზე, რომელიც საჭიროა ნანომასშტაბის აქტიური ელექტროდის მასალების წარმოებისთვის; მეორეს მხრივ, ჩვენ ვცდილობთ ბეჭდვის ტექნოლოგია მოვარგოთ ამ მასალებს. ” ამბობს ექიმი მომოტენკო.

შემდეგ მოდის პროგრესი

ელექტრული საფარის არსებულ ტექნოლოგიებზე დაყრდნობით მათ შეძლეს ამ მეთოდის ადაპტირება (დადებითი დამუხტული სპილენძის იონები მარილის ხსნარში უარყოფითი დამუხტული ელექტროდით). The ექსტრუზია მინიშნებამ, რომელიც შემუშავებულმა ჯგუფმა შექმნა, მათ საშუალება მისცა 3D ბეჭდვა ნანომასშტაბით, შედარებით ამჟამინდელ ფხვნილზე დაფუძნებულ 3D პრინტერებთან, რომლებიც შეზღუდულია მიკრონი.

ბატარეის ტექნოლოგია მხოლოდ პირველი გამოყენების შემთხვევაა, ექიმ მომოტენკოს სხვა თამამი კონცეფციები აქვს მხედველობაში. ის აპირებს გამოიყენოს ეს ბეჭდვის ტექნოლოგია, რათა გამოიყენოს ახალგაზრდა სფერო, რომელსაც ეწოდება სპინტრონიკა, რომელიც მიზნად ისახავს „სპინის“ მანიპულირების უნარს - ელექტრონების კვანტურ მექანიკურ თვისებას.

ის ასევე გეგმავს სენსორების წარმოებას, რომლებსაც შეუძლიათ ცალკეული მოლეკულების აღმოჩენა. ეს ხელს შეუწყობს ალცჰეიმერის გამოვლენას, რომელიც ცნობილია თავისი ბიომარკერების ფრაქციული რაოდენობით. 

ამ ტექნოლოგიის შემუშავების შემდეგაც კი, გუნდი რჩება შიშის ქვეშ, რომ შექმნას ისეთი ობიექტები, რომლებსაც ადამიანის თვალი დახმარების გარეშე ვერ ხედავს.