나노스케일 3D 프린팅이 현실로 다가서고 있다

나노스케일 3D 프린팅은 나노미터 단위로 측정되는 객체를 3D 프린팅하는 기술입니다. 예를 들어, 1밀리미터에는 1,000,000개의 나노미터가 있습니다. 크기 또는 부족함을 더 잘 이해하기 위해, 우리는 하나의 인간 머리카락의 크기, 즉 75,000-100,000 나노미터의 직경을 참조해야 합니다.

나노스케일 3D 프린팅 탐색

이 미시적 규모는 더 작은 컴퓨터 칩과 1개의 인쇄된 컴퓨터 보드, 나노스케일 금속 부품 등 다양한 산업을 혁신할 수 있는 제품을 제공합니다. 이러한 부품은 배터리의 충전 및 방전 속도를 높여줍니다.

이 기술은 효율성을 개선하고 작은 부품의 생산성을 높일 것입니다.

마이크로전자, 나노로봇, 센서 기술 등 다양한 산업은 정확성을 손상하지 않고 나노스케일에서 객체를 생성할 수 있는 능력으로부터 혜택을 받을 수 있습니다. 현재 미국의 대학들은 정확성을 유지하면서 나노스케일에서 인쇄하는 다양한 방법을 연구하고 있습니다.

이들 중 일부 기관은 전기 기술의 발전에 중점을 두고 있으며, 다른 기관은 광화학 반응을 사용하는 나노 프린팅 방법에 관심을 두고 있습니다. 이러한 방법에는 단백질, 글리칸, 또는 유전자의 고정화가 포함됩니다.

나노스케일 프린팅 합성 물질과 플라스틱은 이미 이 규모에서 프린팅할 수 있는 능력으로부터 혜택을 받았습니다. 그러나 과학자들은 금속 객체를 정확하게 이 크기로 프린팅하는 기술을 개발하는 데 최근 2-3년 동안 진전을 이루었습니다.

이 규모에서 금속을 3D 프린팅하면 과학자들이 원자 단위로 객체를 조립할 수 있습니다.

나노스케일 3D 프린팅 솔루션

드미트리 모모텐코 박사는 화학 연구소의 주니어 연구 그룹을 이끌고 있으며, 이 기술을 사용하여 현재 기술보다 1000배 빠르게 충전 및 방전할 수 있는 배터리를 3D 프린팅할 수 있을 것으로 믿습니다. 그의 일부 발언은 다음과 같습니다: “만약 오늘날에 가능하다면 전기차를 몇 초 안에 충전할 수 있을 것입니다.”.

목표는 배터리 셀 내의 이온 사이의 경로를 기하급수적으로 단축하는 것입니다. 나노스케일 3D 프린팅을 통해 그의 팀은 20년 전의 아이디어를 재검토하여 배터리의 내부 구조를 일회적으로 전자로 통과시킬 수 있는 방식으로 3D 프린팅할 수 있습니다.

이 기술을 통해 나노로봇 및 마이크로전자 분야도 동일하게 혜택을 받을 수 있습니다.

나노스케일 3D 프린터 기술

올덴부르크 대학교의 리아시안 카사노바는 나노스케일에서 인쇄하는 데 필요한 전문 노즐 팁을 만들고 있습니다. 일반적인 실리카 글래스 튜브에서 시작하여 1mm 두께의 카피러리 튜브를 삽입하고 청색 액체를 넣습니다. 전기가 적용되면 반응이 발생하여 큰 소리가 나며, 튜브를 제거하면 필요한 크기에 맞는 구멍이 나타납니다. “레이저 빔이 장치 내에서 튜브를加熱하고, 튜브를 분리합니다. 그런 다음 우리는突然的に 인장력을 증가시켜 글래스가 중간에서 깨지게 하여 매우 날카로운 팁을 형성합니다.” 카사노바는 올덴부르크 대학교의 전기화학 나노기술 그룹에서 화학 박사 학위를 취득 중입니다.

대학의 웨클로이 캠퍼스에는 3개의 프린터가 있으며, 이들은 정확한 표준에 따라 자체적으로 제작 및 프로그래밍되었습니다. 오늘날의 소비자용 3D 프린터와 유사하지만, 크기가 다릅니다.

이 프린터들은 정확성을 중시하며, 큰 그라나이트 베이스에 우레탄을 층층이 쌓아振動을 줄입니다. 이러한 단계들은 3D 프린터를 더 정밀하게 제어하여 더 작은 규모에서 더 높은 정확도를 제공합니다. 일반적인 파우더 기반 금속 3D 프린터는 마이크론 수준의 해상도만 제공할 수 있습니다.

프린터의 환경도 고려되며, 연구팀은 교류 전류로 인한 전자파 간섭을 줄이기 위해 실험실의 조명을 고려했습니다. 배터리 전원 조명을 사용하여 교류 전류로 발생하는 전자파를 분리합니다.

금속 나노구조에 대한 작은 관점

나노스케일 프린팅된 플라스틱 분子は 구조적 모양으로 쉽게 조작할 수 있습니다. 플라스틱의 연성과 낮은 열 내구성으로 과학자들은 플라스틱을 더 작은 모양으로 조작할 수 있습니다. 이러한 용이성으로 인해 최근 프린팅 기술의 발전이 이루어졌습니다.

반면에, 나노스케일 금속 3D 프린팅은 더 엄격한 공차와 더 높은 열 및 마모 저항이 필요합니다. 이러한 프린터는 작은 정확한 인쇄를 가능하게 하는 정밀한 인쇄 알고리즘과 재발명된 프린터 팁의 최근 발전이 필요합니다.

현재, 팀은 구리, 은, 니켈, 니켈-망간, 니켈-코발트 합금과 함께 작업할 수 있습니다. 모모텐코 박사와 연구팀은 2021년 나노기술 저널에 발표한 연구에서 25 나노미터 또는 195개의 구리 원자 크기의 구리 나선 기둥을 성공적으로 만들었습니다. 모모텐코 박사와 그의 동료 줄리안 헹스텔러가 개발한 방법을 사용하여, 피드백 메커니즘은 노즐이 중간에 고정되지 않도록 방지하는 인출 과정에서 노즐과 함께 작동합니다. 인쇄는 몇 나노미터毎초의 속도로 한 층씩 형성됩니다.

나노스케일 구리 기둥 3D 프린트. 사진 제공: 나노 레터.

시간은 본질입니다

평면 나선 객체를 프린팅하면 배터리 저장 및 생산의 발전에 기여할 수 있습니다. 이는 나노구조를 프로톤이 빠르고 고르게 통과할 수 있는 방식으로 제어합니다. 이는 향상된 배터리 충전 속도와 방전 속도에 결과를 가져옵니다.

이 기술은 에너지 저장에 의존하는 산업, 즉 전기차 배터리, 오프그리드 홈, 또는 전력망 故障으로 인해 절대 오프라인이 될 수 없는 데이터 서버 팜의 저장 요구사항에서 혜택을 받을 수 있습니다.

위험은 먼저 옵니다

리튬이온 배터리 생산에 따른 위험을 완화하기 위해, 전문가들은 밀봉된 챔버를 사용하여 인ерт 아르곤 가스를 채웁니다. 프린터를 수용하기 위한 챔버는 10피트 길이이고 거의 1000파운드의 무게입니다.

배터리가 충전될 때 발생하는 열을 어떻게 관리할 것인가? “한편으로, 우리는 나노스케일에서 활성 전극 물질을 생성하는 데 필요한 화학을 연구하고 있으며, 다른 한편으로, 우리는 이러한 물질에 적합한 프린팅 기술을 개발하려고 합니다.” 모모텐코 박사는 말합니다.

그다음은 발전이다

기존의 전기 도금 기술을 사용하여, 양이온을 음이온 전극과 함께 소금 용액에 넣습니다. 팀이 개발한 노즐 팁은 나노스케일에서 3D 프린팅할 수 있게 해주었습니다. 현재의 파우더 기반 3D 프린터는 마이크론 수준의 해상도만 제공할 수 있습니다.

배터리 기술은 첫 번째 사용 사례일 뿐입니다. 모모텐코 박사는 더 대담한 개념을 가지고 있습니다. 그는 스핀트로닉스라는 더 젊은 분야를 활용하여 전자의 양자 기계적 속성인 “스핀”을 조작하려고 합니다.

그는 또한 개별 분자를 감지할 수 있는 센서를 제작하려고 합니다. 이는 알츠하이머병과 같은 질병의 바이오마커를 감지하는 데 도움이 될 것입니다.

이 기술을 개발한 후에도, 팀은 인간의 눈으로 보이지 않는 객체를 생성할 수 있는 능력에 대해 놀라고 있습니다.