Nanoschaal 3D-printen komt dichter bij realiteit

Nanoschaal 3D-printen is de mogelijkheid om 3D-voorwerpen te printen die worden gemeten in nanometers. Als voorbeeld zijn er 1.000.000 nanometers in 1 millimeter. Om de grootte of het gebrek daaraan beter te begrijpen, moeten we verwijzen naar de grootte van één mensenhaar, die 75.000-100.000 nanometers in diameter is.

Het onderzoeken van nano-schaal 3D-printen

Deze microscopische schaal herbergt een reeks potentieel industrie-veranderende producten, van kleinere computerchips en 1 pc-geprinte computerborden tot nanoschaal metalen onderdelen die snellere oplading/ontlading mogelijk maken voor batterijen.

Deze doorbraak zal zowel de efficiëntie verbeteren als de productiviteit van kleinere onderdelen verhogen.

Industrieën zoals micro-elektronica, nanorobotica en sensortechnologieën zullen profiteren van de mogelijkheid om op zo’n nanoschaal te creëren zonder de nauwkeurigheid te compromitteren. Op dit moment onderzoeken universiteiten in heel Amerika verschillende manieren om op nanoschaal te printen terwijl ze de nauwkeurigheid behouden die hun respectievelijke industrieën vereisen.

Verschillende van deze instellingen richten zich op vooruitgang in elektrische technologieën, terwijl anderen hun ogen hebben gericht op nano-printmethoden die fotochemische reacties gebruiken, waaronder de immobilisatie van eiwitten, glycans of genen. 

Nanoschaal geprinte synthetische materialen en plastics hebben langdurig geprofiteerd van de mogelijkheid om op deze schaal te printen, het is alleen in de afgelopen 2-3 jaar dat wetenschappers doorbraken hebben behaald in het printen van metalen voorwerpen met precisie tot deze grootte.

3D-printen van metaal op deze schaal stelt wetenschappers in staat om een voorwerp atoom voor atoom te assembleren. 

Nanoschaal 3D-printoplossingen 

Dr. Dmitry Momotenko, die het junior onderzoeksgroep leidt aan het Instituut voor Scheikunde, gelooft dat deze technologie het hem en zijn team mogelijk zal maken om 3D-batterijen te printen die kunnen opladen en ontladen met snelheden die 1000 keer sneller zijn dan de huidige concurrerende technologieën. Sommige van zijn verklaringen zijn: “Als dat vandaag kan worden bereikt, kunnen EV’s binnen seconden worden opgeladen”.

Het doel is om de paden tussen ionen in de batterijcel exponentieel te verkorten. Nanoschaal 3D-printen zal het hem en zijn team mogelijk maken om deze 20 jaar oude idee opnieuw te bekijken in de hoop dat ze de interne structuren van batterijen op een manier kunnen 3D-printen die het mogelijk maakt voor elektronen om door de hele cel te gaan, in plaats van van de ene kant van de cel naar de andere.

Met de mogelijkheid om metaalstructuren nauwkeurig te printen tot 25 micron, zullen zowel nanorobotica (nanoschaal microchips) als micro-elektronica evenzeer profiteren van deze technologie.

Nanoschaal 3D-printtechnologieën 

Scheikundige Liaisan Khasanova aan de Universiteit van Oldenburg is belast met het creëren van de gespecialiseerde nozzle-tip die nodig is om op nanoschaal te printen. Beginnend met een gewone silica glazen buis, wordt een 1 mm dikke capillaire buis ingevoerd met een blauwe vloeistof. Zodra er elektriciteit wordt toegepast, vindt een reactie plaats die resulteert in een harde knal. De buis wordt vervolgens verwijderd, waardoor een gat ontstaat dat klein genoeg is om aan hun eisen te voldoen. “Een laserstraal in het apparaat verwarmt de buis en trekt deze uit. Vervolgens verhogen we plotseling de trekkracht, zodat het glas in het midden breekt en een zeer scherpe punt ontstaat,” legt Khasanova uit, die aan haar Ph.D. in scheikunde werkt in de Electrochemical Nanotechnology Group aan de Universiteit van Oldenburg, Duitsland.

Op de campus Wechloy van de universiteit heeft het lab drie printers die in eigen huis zijn gebouwd en geprogrammeerd om aan hun precieze eisen te voldoen. Vergelijkbaar met het concept van de consumenten 3D-printers van vandaag, maar met één klein verschil – de grootte.

Deze printers zijn gericht op nauwkeurigheid, met grote granieten bases met schuim om de trillingen te helpen verminderen die worden gegenereerd door het printproces. Deze stappen helpen om de 3D-printer nauwkeurig te controleren, wat resulteert in een hogere nauwkeurigheid op kleinere schalen. Conventionele poedergebaseerde metaal 3D-printers zijn alleen in staat om micron-niveau-resoluties te bereiken, een grootteverschil van 1000x.  

De omgeving van de printer wordt ook in overweging genomen, het team heeft de lichten in hun laboratorium meegenomen vanwege elektromagnetische interferentie. Ze gebruiken batterij-aangedreven lichten om te helpen bij het isoleren van het elektromagnetische veld dat wordt gegenereerd door wisselstroom.

Een kleine blik op metalen nanostructuren

Nano-schaal geprinte plastic moleculen kunnen gemakkelijk worden gemanipuleerd in structurele vormen vanwege hun gebrek aan sterkte en lagere warmtetolerantie. De vormbare aard van plastic biedt wetenschappers de mogelijkheid om het plastic in kleinere vormen te manipuleren. Deze gemakkelijke toegang heeft geresulteerd in de meeste recente vooruitgang in printtechnologie.

In vergelijking hiermee vereist metaal nano-schaal 3D-printen strakkere toleranties en hogere weerstand tegen zowel warmte als slijtage. Deze printers vereisen recente vooruitgang in verfijnde printalgoritmen tot heruitgevonden printertips om kleine nauwkeurige afdrukken mogelijk te maken. 

Op dit moment kan het team werken met koper, zilver, nikkel, nikkel-mangaan en nikkel-kobalt legeringen. Dr. Momotenko en een team van onderzoekers waren succesvol in het creëren van koperen spiraalzuilen van 25 nanometer of 195 koperatomen in grootte als onderdeel van hun studies die zijn gepubliceerd in de Journal of Nanotechnologies in 2021. Met behulp van een methode ontwikkeld door Dr. Momotenko en zijn collega Julian Hengsteler, wordt een feedbackmechanisme gebruikt in combinatie met de extrusiekop om het terugtrekkingsproces te regelen dat nodig is om te voorkomen dat de nozzle tijdens het printen vast komt te zitten. Afdrukken nemen vorm aan laag voor laag met snelheden van enkele nanometers per seconde. 

3D-printen van nanoschaal koperen zuilen. Foto van Nano Letters.

Tijd is van essentieel belang

Het printen van platte spiraalvormige objecten leent zich goed voor de vooruitgang in batterijopslag en -productie. Het controleert de nanostructuren op een manier die het mogelijk maakt voor protonen om snel en gelijkmatig door de batterij te gaan. Dit resulteert in verbeterde batterijen met oplaadsnelheden en ontladingssnelheden.

Dit zal de industrieën die afhankelijk zijn van energiopslag ten goede komen, van EV-batterijen tot off-grid huizen of de opslagvereisten van dataserverboerderijen die nooit offline kunnen gaan vanwege een stroomstoring.

Eerst komt risico

Om de risico’s te mitigeren die zijn verbonden aan de productie van lithium-ionbatterijen, worden gespecialiseerde afgesloten kamers gevuld met een positieve druk inerte argongas. Groot genoeg om de printer in een inerte omgeving te herbergen, is de kamer 10 voet lang en weegt bijna 1000 pond.

Hoe zal de batterij de door de reactie gegenereerde warmte beheren wanneer deze volledig is opgeladen? “Aan de ene kant werken we aan de chemie die nodig is om actieve elektrode-materialen te produceren op nanoschaal; aan de andere kant proberen we de printtechnologie aan te passen aan deze materialen,” zegt Dr. Momotenko.

Daarna komt vooruitgang

Door te vertrouwen op bestaande elektroplatingtechnologieën konden ze deze methode aanpassen (positief geladen koperionen met een negatief geladen elektrode in de zoutoplossing). De extrusietip die het team heeft ontwikkeld, heeft het mogelijk gemaakt om op nanoschaal 3D te printen, in vergelijking met de huidige poedergebaseerde 3D-printers die beperkt zijn tot micron.

Batterijtechnologie is alleen het eerste gebruiksscenario, Dr. Momotenko heeft andere gewaagde concepten in gedachten. Hij wil deze printtechnologie gebruiken om te profiteren van een jonger veld genaamd spintronica, dat zich richt op de mogelijkheid om “spin” te manipuleren – een kwantummechanische eigenschap van elektronen.

Hij wil ook sensoren produceren die in staat zijn om individuele moleculen te detecteren. Dit zou helpen bij het detecteren van de ziekte van Alzheimer, die berucht is vanwege de fractie van biomarkers. 

Zelfs na het ontwikkelen van deze technologie, blijft het team in verwondering over de mogelijkheid om voorwerpen te creëren die het menselijk oog niet kan zien zonder hulp.