나노 스케일 3D 프린팅이 현실에 가까워지고 있습니다.

나노 스케일 3D 프린팅은 나노미터 단위로 측정된 물체를 3D 프린팅하는 기능입니다. 예를 들어 1,000,000밀리미터는 1나노미터입니다. 그 크기나 부족함을 더 잘 이해하려면 직경이 75,000-100,000나노미터인 사람 머리카락 하나의 크기를 참조해야 합니다.

나노 크기의 3D 프린팅 탐색

이 미세한 크기의 호스트는 더 작은 컴퓨터 칩과 1pc 인쇄 컴퓨터 보드에서 배터리의 더 빠른 충전/방전 기능을 제공하는 나노 크기의 금속 부품에 이르기까지 잠재적인 산업 파괴 제품의 배열입니다.

이 혁신은 효율성을 개선하고 더 작은 부품의 생산성을 높일 것입니다.

마이크로 전자 공학, 나노 로봇 공학 및 센서 기술과 같은 산업은 정확도를 손상시키지 않고 이러한 나노 규모에서 생성할 수 있는 능력의 이점을 누릴 수 있습니다. 이때 대학 미국 전역에서 각 산업에서 요구하는 정확도를 유지하면서 나노 크기로 인쇄하는 다양한 방법을 연구하고 있습니다.

이들 연구소 중 일부는 전기 기술의 발전에 초점을 맞추고 있는 반면 다른 연구소는 단백질, 글리칸 또는 유전자의 고정화를 포함한 광화학 반응을 활용하는 나노 인쇄 방법에 주목하고 있습니다. 

나노 스케일로 인쇄된 합성 재료 및 플라스틱은 오랫동안 이 규모로 인쇄할 수 있는 기능의 이점을 얻었으며, 과학자들이 금속 물체를 이 크기로 정확하게 인쇄하는 데 돌파구를 마련한 것은 불과 2~3년 전의 일입니다.

이 규모의 3D 프린팅 금속을 통해 과학자들은 물체를 원자 단위로 조립할 수 있습니다. 

나노스케일 3D 프린팅 솔루션 

드미트리 모모텐코 박사, 그는 주니어 연구 그룹을 이끌고 있습니다. 화학 연구소는 이 기술을 통해 그의 팀이 현재 경쟁 기술보다 3배 빠른 속도로 충전 및 방전할 수 있는 배터리를 1000D 프린트할 수 있을 것이라고 믿습니다. 그의 진술 중 일부는 다음과 같습니다. "오늘 달성할 수 있다면 EV'S는 몇 초 안에 충전할 수 있습니다.".

목표는 배터리 셀에서 이온 사이의 경로를 기하급수적으로 단축하는 것입니다. 나노 크기의 3D 프린팅을 통해 그의 팀은 전자가 한 번에 전체 셀을 통과하는 대신 한 번에 전체 셀을 통과할 수 있는 방식으로 배터리의 내부 구조를 20D 프린팅할 수 있기를 희망하면서 이 3년 된 아이디어를 다시 검토할 수 있습니다. 세포의 측면을 다른 쪽으로.

금속 구조를 25미크론까지 정확하게 인쇄할 수 있는 능력으로아노로보틱스(나노스케일 마이크로칩)와 마이크로일렉트로닉스는 이 기술의 혜택을 동등하게 누릴 수 있습니다.

나노 스케일 3D 프린터 기술 

화학자 Liaisan Khasanova 올덴 부르크 대학교 나노 스케일로 인쇄하는 데 필요한 특수 노즐 팁을 만드는 일을 맡고 있습니다. 일반 석영 유리관으로 시작하여 1mm 두께의 모세관에 파란색 액체가 들어 있습니다. 일단 전기가 가해지면 반응이 일어나 큰 소리가 납니다. 그런 다음 튜브를 제거하면 요구 사항을 충족하기에 충분히 작은 구멍이 드러납니다. “장치 내부의 레이저 빔이 튜브를 가열하고 분리합니다. 그런 다음 우리는 갑자기 인장력을 증가시켜 유리가 중간에서 깨지고 매우 날카로운 끝이 형성되도록 합니다.” 박사 과정을 밟고 있는 Khasanova는 설명합니다. Electrochemical Nanotechnology Group의 화학에서 올덴 부르크 대학교, 독일.

대학에서 위클로이 캠퍼스에 있는 실험실에는 정확한 표준에 따라 사내에서 제작 및 프로그래밍된 3대의 프린터가 있습니다. 개념상 오늘날의 소비자용 3D 프린터와 유사하지만 한 가지 작은 차이점이 있습니다. 바로 크기입니다.

이 프린터는 인쇄 과정에서 발생하는 진동을 줄이기 위해 폼으로 층을 이룬 대형 화강암 기반을 활용하여 정확성에 중점을 둡니다. 이러한 단계는 3D 프린터를 정밀하게 제어하여 더 작은 규모에서 더 높은 정확도를 얻는 데 도움이 됩니다. 기존의 분말 기반 금속 3D 프린터는 크기 차이가 1000배인 미크론 수준의 해상도만 가능합니다.  

프린터의 환경도 고려되었으며 팀은 전자기 간섭으로 인해 연구실의 조명을 고려했습니다. 그들은 교류에 의해 생성된 전자기장을 격리하는 데 도움이 되도록 배터리로 작동되는 조명을 사용합니다.

금속 나노구조에 대한 작은 관찰

나노 크기로 인쇄된 플라스틱 분자는 강도가 부족하고 내열성이 낮기 때문에 구조적 형태로 쉽게 조작할 수 있습니다. 플라스틱의 가단성은 과학자들에게 플라스틱을 더 작은 모양으로 조작할 수 있는 능력을 제공합니다. 이러한 사용 편의성은 최근 인쇄 기술의 발전을 가져왔습니다.

이에 비해 금속 나노스케일 3D 프린팅은 더 엄격한 공차와 열과 마모에 대한 더 높은 저항성을 요구합니다. 이러한 프린터에는 정밀한 인쇄 알고리즘에서 재창조된 프린터 팁에 이르기까지 최신 기술이 필요하여 작고 정확한 인쇄가 가능합니다. 

현재 팀은 구리, 은, 니켈, 니켈-망간 및 닉-코발트 합금으로 작업할 수 있습니다. Momotenko 박사와 연구팀은 연구의 일환으로 25나노미터 또는 195개의 구리 원자 크기의 구리 나선형 기둥을 만드는 데 성공했습니다. 2021년 나노기술 저널. Momotenko 박사와 그의 동료인 Julian Hengsteler가 만든 방법을 활용하여 피드백 메커니즘을 압출 헤드 인과 함께 사용하여 프린트 중간에 노즐이 응고되는 것을 방지하는 데 필요한 후퇴 프로세스를 조정합니다. 인쇄물은 초당 몇 나노미터의 속도로 한 번에 한 층씩 형성됩니다. 

3D 프린트 나노스케일 구리 기둥. 사진 크레딧 나노 편지.

시간이 본질이다

편평한 나선형 개체를 인쇄하면 배터리 저장 및 생산의 발전에 도움이 됩니다. 양성자가 배터리를 빠르고 고르게 통과할 수 있도록 나노구조를 제어합니다. 그 결과 배터리 충전 속도와 방전 속도가 향상됩니다.

이는 EV 배터리에서 독립형 주택에 이르기까지 에너지 저장에 의존하는 산업 또는 전력망 장애로 인해 절대 오프라인 상태가 될 수 없는 데이터 서버 팜의 스토리지 요구 사항에 도움이 될 것입니다.

먼저 위험이 온다

리튬 이온 배터리 생산과 관련된 위험을 완화하기 위해 특수 밀폐 챔버는 양압 비활성 아르곤 가스로 채워집니다. 비활성 환경에서 프린터를 호스팅할 수 있는 크기의 챔버는 길이가 10피트이고 무게가 거의 1000파운드입니다.

배터리가 최대 용량으로 충전되었을 때 반응으로 생성된 열을 어떻게 관리합니까? “한편으로 우리는 나노 스케일에서 활성 전극 재료를 생산하는 데 필요한 화학에 대해 연구하고 있습니다. 다른 한편으로는 인쇄 기술을 이러한 재료에 적용하려고 노력하고 있습니다.” Momotenko 박사는 말합니다.

그런 다음 진행이 온다

그들은 기존의 전기도금 기술에 의존하여 이 방법을 채택할 수 있었습니다(염 용액 내부에 음전하 전극이 있는 양전하 구리 이온). 그만큼 압출 팀이 개발한 팁은 미크론으로 제한되는 현재의 분말 기반 3D 프린터와 비교하여 나노 크기로 3D 인쇄할 수 있도록 했습니다.

배터리 기술은 첫 번째 사용 사례일 뿐이며, Momotenko 박사는 다른 대담한 개념을 염두에 두고 있습니다. 그는 이 인쇄 기술을 사용하여 전자의 양자 역학적 특성인 "스핀"을 조작하는 능력을 목표로 하는 스핀트로닉스라는 젊은 분야를 활용할 계획입니다.

그는 또한 개별 분자를 감지할 수 있는 센서를 제조할 계획입니다. 이것은 소량의 바이오마커로 악명 높은 알츠하이머를 감지하는 데 도움이 될 것입니다. 

이 기술을 개발한 후에도 팀은 인간의 눈이 도움 없이는 볼 수 없는 물체를 만드는 능력에 여전히 경외감을 느낍니다.