Nanoskala 3D-utskrifting er på vei mot virkelighet

Nanoskala 3D-utskrifting er evnen til å 3D-utskrive objekter målt i nanometer. Som et eksempel er det 1 000 000 nanometer i 1 millimeter. For å bedre forstå størrelsen eller mangelen på denne, bør vi referere til størrelsen på et menneskehår, som er 75 000-100 000 nanometer i diameter.

Utforsking av nano-skala 3D-utskrifting

Denne mikroskopiske skalaen har en rekke potensielle industri-forstyrrende produkter, fra mindre datamaskin-chip og 1 pc-utskrevne datamaskin-brett til nanoskala metall-delene som gir vei til raskere lading/utladingsevner for batterier.

Dette gjennombruddet vil både forbedre effektiviteten og øke produktiviteten av mindre deler.

Industrier som mikroelektronikk, nanorobotikk og sensor-teknologi kan dra nytte av evnen til å skape på en så nanoskala uten å kompromittere nøyaktigheten. For tiden forsker universitetene i hele Amerika på forskjellige måter å utskrive på en nano-skala samtidig som de beholder nøyaktigheten deres respektive industrier krever.

Flere av disse institusjonene fokuserer på fremgang i elektriske teknologier, mens andre har øynene på nano-utskriftsmetoder som utnytter foto-kjemiske reaksjoner, inkludert immobilisering av proteiner, glykaner eller gener. 

Nanoskala utskrevne syntetiske materialer og plaster har lenge hatt fordel av evnen til å utskrive på denne skalaen, det er bare i de siste 2-3 årene at forskerne har gjort gjennombrudd i utskriving av metall-objekter nøyaktig til denne størrelsen.

3D-utskrifting av metall på denne skalaen gjør det mulig for forskerne å montere et objekt atom for atom. 

Nanoskala 3D-utskriftsløsninger 

Dr. Dmitry Momotenko, som leder den juniorforskningsgruppen ved Institutt for kjemi, mener at denne teknologien vil gjøre det mulig for hans team å 3D-utskrive batterier som kan lades og utlades med hastigheter på over 1000 ganger raskere enn nåværende konkurranse-teknologier. Noen av hans uttalelser inkluderer: “Hvis det kan oppnås i dag, kan EV-er lades på noen sekunder”.

Målet er å eksponentielt forkorte stiene mellom ioner i battericellen. Nanoskala 3D-utskrifting vil gjøre det mulig for hans team å gjenoppta denne 20 år gamle ideen i håp om å kunne 3D-utskrive batteriets interne strukturer på en måte som gjør det mulig for elektroner å passere gjennom hele cellen på en gang, i stedet for å måtte passere gjennom fra den ene siden av cellen til den andre.

Med evnen til å nøyaktig utskrive metall-strukturer ned til 25 mikron, både nanorobotikk (nanoskala mikro-chip) og mikroelektronikk kan likevel dra nytte av denne teknologien.

Nanoskala 3D-utskriftsteknologier 

Kjemiker Liaisan Khasanova ved Universitetet i Oldenburg er ansvarlig for å skape den spesialiserte dyse-tippet som kreves for å utskrive på nanoskala. Startende med en vanlig silika-glassrør, settes en 1 mm tykk kapillær-rør inn med en blå væske. Når elektrisitet blir applisert, skjer en reaksjon som resulterer i en høy lyd. Røret fjernes, og det avdekkes et hull som er små nok til å møte deres krav. “En laser-stråle inne i enheten varmer opp røret og trekker det fra hverandre. Deretter øker vi plutselig tensile-kraften så mye at glasset bryter i midten og en svært skarp topp dannes,” forklarer Khasanova, som arbeider på sin ph.d. i kjemi i den elektro-kjemiske nanoteknologi-gruppen ved Universitetet i Oldenburg, Tyskland.

På universitetets Wechloy-campus, har laboratoriet 3 utskrivere som er bygget og programmert i-hus til deres eksakte standarder. Lignende i konsept til dagens forbruker-3D-utskrivere, men med en liten forskjell – størrelsen.

Disse utskriverne fokuserer på nøyaktighet, og bruker store granitt-baser lagt med skum for å redusere vibrasjonene som skapes av utskriftsprosessen. Disse trinnene hjelper med å nøyaktig kontrollere 3D-utskriveren, og resulterer i høyere nøyaktighet på mindre skalaer. Konvensjonelle pulver-baserte metall-3D-utskrivere er kun i stand til å oppnå mikro-nivå-oppløsninger, en størrelsesforskjell på 1000 ganger.  

Utskriverens miljø er også tatt i betraktning, og teamet har tatt lyset i deres laboratorium med i betraktning på grunn av elektromagnetisk forstyrrelse. De bruker batteridrevne lys for å isolere det elektromagnetiske feltet som genereres av vekselstrøm.

En liten titt på metall-nanostrukturer

Nano-skala utskrevne plast-molekyler er lett manipulert til strukturelle former på grunn av deres manglende styrke og lavere varme-toleranser. Den formbare naturen til plast gir forskerne muligheten til å manipulere plasten til mindre former. Denne lettheten har resultert i de fleste av de nylige fremgangene i utskriftsteknologien.

I sammenligning, krever metall-nanoskala 3D-utskrifting tettere toleranser og høyere motstand mot både varme og slitasje. Disse utskriverne krever nylige fremgang fra raffinerte utskriftsalgoritmer til gjenoppfunnet utskriftstipper for å muliggjøre små og nøyaktige utskrifter. 

For tiden kan teamet arbeide med kobber, sølv, nikkel, nikkel-mangan og nikkel-kobolt-legeringer. Dr. Momotenko og et team av forskere var suksessfulle i å skape kobber-spiral-søyler på 25 nanometer eller 195 kobber-atomer i størrelse som en del av deres studier publisert i Journal of Nanotechnologies i 2021. Ved å bruke en metode skapt av Dr. Momotenko og hans kollega Julian Hengsteler, brukes en tilbakemeldings-mekanisme i kombinasjon med utskriftshodet for å mediere retraksjons-prosessen som kreves for å forhindre at dyse-tippet størkner midt i utskriften. Utskriftene tar form ett lag om gangen med hastigheter på noen få nanometer per sekund. 

3D-utskrift nanoskala kobber-søyler. Foto-kreditt til Nano Letters.

Tiden er av essensen

Utskrifting av flate spiral-objekter gir gode muligheter for fremgang i batteri-lagring og produksjon. Det kontrollerer nano-strukturer på en måte som gjør det mulig for protoner å passere gjennom batteriet raskt og jevnt. Dette resulterer i forbedrede batteri-ladings-rater og utladings-rater.

Dette vil være til fordel for industrier som er avhengige av energi-lagring, fra EV-batterier til av-grid-hjem eller lagrings-kravene til dataserver-farmene som aldri kan gå offline på grunn av en strøm-forbindelse-feil.

Først kommer risikoen

For å minimere risikoen forbundet med produksjonen av lithium-ion-batterier, er spesialiserte lukkede kamre fylt med en positiv trykk inert argon-gass. Størrelsen er tilpasset for å huse utskriveren i et inaktivt miljø, og kammeret er 10 fot langt og veier nesten 1000 pund.

Hvordan vil batteriet håndtere varmen som produseres av dens reaksjon når det er ladet til full kapasitet? “På den ene siden arbeider vi med kjemien som er nødvendig for å produsere aktive elektrode-materialer på nanoskala; på den andre siden prøver vi å tilpasse utskriftsteknologien til disse materialene,” sier Dr. Momotenko.

Deretter kommer fremgangen

Ved å stole på eksisterende elektro-plating-teknologier, var de i stand til å tilpasse denne metoden (positivt ladede kobber-ioner med en negativt ladt elektrode inni salt-løsningen). Utskrift-tippet utviklet av teamet, har gjort det mulig for dem å 3D-utskrive på nanoskala, sammenlignet med nåværende pulver-baserte 3D-utskrivere som er begrenset til mikron.

Batteri-teknologi er bare det første bruksområdet, Dr. Momotenko har andre dristige konsepter i tankene. Han planlegger å bruke denne utskriftsteknologien til å kapitalisere på et yngre felt kalt spintronikk, som målretter evnen til å manipulere “spin” – en kvantemekanisk egenskap av elektroner.

Han planlegger også å produsere sensorer som kan detektere enkelt-molekyler. Dette vil assistere i å detektere Alzheimers, som er notorisk for sine fraksjonelle mengder biomarkører. 

Selv etter å ha utviklet denne teknologien, forblir teamet i ærefrykt over evnen til å skape objekter som det menneskelige øyet ikke er i stand til å se uten hjelp.