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 den, bør vi referere til størrelsen på et menneskehår, som er 75 000-100 000 nanometer i diameter.

Utforsking nano-skala 3D-utskrifting

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

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

Industrier som mikroelektronikk, nanorobotikk og sensor-teknologi kan dra nytte av evnen til å skape på en sådan nanoskala uten å kompromittere nøyaktigheten. For tiden forsker universitetenei Amerika på ulike måter å utskrive på en nano-skala samtidig som de opprettholder nøyaktigheten som deres respektive industrier krever.

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

Nanoskala-utskrevne syntetiske materialer og plast har lenge hatt fordelen av å kunne utskrive på denne skalaen, men det er først i de siste 2-3 årene at forskerne har gjort gjennombrudd i å utskrive metall-objekter nøyaktig til denne størrelsen.

3D-utskrifting av metall på denne skalaen muliggjør at forskerne kan samle et objekt atom for atom. 

Nanoskala 3D-utskriftsløsninger 

Dr. Dmitry Momotenko, som leder den juniorforskningsgruppen ved Institutt for kjemi, mener at denne teknologien vil gi hans team mulighet til å 3D-utskrive batterier som kan lades og utlades med hastigheter som overstiger 1000 ganger mer enn dagens konkurranse-teknologier. Noen av hans uttalelser inkluderer: “Hvis det kan oppnås i dag, kan el-biler lades på noen sekunder”.

Målet er å eksponentielt forkorte veiene mellom ioner i battericellen. Nanoskala 3D-utskrifting vil gi hans team mulighet til å se på denne 20 år gamle ideen på nytt i håp om å kunne 3D-utskrive batteriets interne strukturer på en måte som tillater 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 like mye dra nytte av denne teknologien.

Nanoskala 3D-utskriftsteknologier 

Kjemiker Liaisan Khasanova ved Universitetet i Oldenburg er ansvarlig for å lage den spesialiserte dyse-tippet som kreves for å utskrive på nanoskala. Ved å starte med en vanlig silica-glasrør, settes en 1 mm tykk kapillær-rør inn med en blå væske. Når elektrisitet applies, skjer en reaksjon som resulterer i en høy lyd. Røret fjernes så, og avdekker et hull som er små nok til å møte deres krav. “En laserstråle inne i enheten varmer opp røret og trekker det fra hverandre. Så øker vi plutselig tensile-kraften så mye at glasset sprenger i midten og en svært spiss topp formas,” forklarer Khasanova, som arbeider på sin Ph.D. i kjemi i Electrochemical Nanotechnology Group ved Universitetet i Oldenburg, Tyskland.

Ved 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 assistere i reduksjonen av vibrasjoner skapt av utskriftsprosessen. Disse stegene hjelper med å presis kontrollere 3D-utskriveren, og resulterer i høyere nøyaktighet på mindre skalaer. Konvensjonelle pulver-baserte metall-3D-utskrivere er bare i stand til å oppnå mikro-nivå-oppløsning, en størrelsesforskjell på 1000 ganger.  

Utskrivernes miljø er også faktorisert inn, og teamet har tatt lysene i deres laboratorium i betraktning på grunn av elektromagnetisk interferens. De bruker batteridrevne lys for å hjelpe med å isolere det elektromagnetiske feltet generert av vekselstrøm.

En liten titt på metall-nanostrukturer

Nano-skala-utskrevne plastmolekyler er lett manipulerte til strukturelle former på grunn av deres manglende styrke og lavere varmetoleranse. Den formbare naturen til plast gir forskerne mulighet 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 oppfunnet 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 tilbaketrekking-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 av nanoskala-kobber-søyler. Foto-kreditt til Nano Letters.

Tiden er av essensen

Utskrifting av flate spiral-objekter gir gode muligheter for fremgang i batterilagring og produksjon. Det kontrollerer nano-strukturer på en måte som tillater protoner å passere gjennom batteriet raskt og jevnt. Dette resulterer i forbedrede batteriers lade- og utlade-hastigheter.

Dette vil være til fordel for industrier som er avhengige av energilagring, fra el-bil-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, brukes spesialiserte lukkede kamre fylt med en positiv trykk-inert argon-gass. Størrelsen på kammeret er 10 fot lang og veier nesten 1000 pund.

Hvordan vil batteriet håndtere varmen som produseres av reaksjonen når det er ladet til full kapasitet? “På den ene siden arbeider vi med kjemien som trengs 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 bruke eksisterende elektroplating-teknologier, var de i stand til å tilpasse denne metoden (positivt ladede kobber-ioner med en negativt ladt elektrode inni salt-løsningen). Utskrifts-tippet som teamet utviklet, har gitt dem mulighet til å 3D-utskrive på nanoskala, i motsetning til dagens pulver-baserte 3D-utskrivere som er begrenset til mikron.

Batteriteknologi 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 som kalles spintronikk, som målretter evnen til å manipulere “spin” – en kvantemekanisk egenskap til elektroner.

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

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