Druk 3D w skali nano zbliża się do rzeczywistości

Druk 3D w skali nano to zdolność do drukowania obiektów mierzonych w nanometrach. Przykładowo, w 1 milimetrze znajduje się 1 000 000 nanometrów. Aby lepiej zrozumieć rozmiar lub jego brak, powinniśmy odnieść się do rozmiaru jednego ludzkiego włosa, który ma średnicę 75 000-100 000 nanometrów.

Eksploracja drukowania 3D w skali nano

Ta mikroskopijna skala oferuje szereg potencjalnych produktów, które mogą zmienić branże, od mniejszych układów scalonych i jednego drukowanego płyty komputerowej do nanoskalowych metalowych części, które umożliwiają szybsze ładowanie i rozładowywanie baterii.

Przełom ten poprawi wydajność i zwiększy produktywność mniejszych części.

Branże takie jak mikroelektronika, nanorobotyka i technologie sensoryczne mogą skorzystać na możliwości tworzenia na takiej skali nano bez kompromisów co do dokładności. W tym czasie uniwersytety w całej Ameryce badają różne sposoby drukowania w skali nano, zachowując dokładność wymaganą przez ich branże.

Wiele z tych instytutów koncentruje się na postępach w technologiach elektrycznych, podczas gdy inne skupiają się na metodach nano-druku, które wykorzystują fotochemiczne reakcje, w tym immobilizację białek, glikanów lub genów.

Drukowanie syntetycznych materiałów i plastików w skali nano od dawna korzystało z możliwości drukowania w tej skali, ale dopiero w ciągu ostatnich 2-3 lat naukowcy dokonali przełomów w drukowaniu metalowych obiektów z dokładnością do tej wielkości.

Drukowanie metalu w tej skali umożliwia naukowcom montowanie obiektu atom po atomie.

Rozwiązania drukowania 3D w skali nano

Dr. Dmitry Momotenko, który kieruje grupą badawczą w Instytucie Chemii, uważa, że ta technologia pozwoli jego zespołowi na drukowanie baterii, które mogą być ładowane i rozładowywane z prędkością ponad 1000 razy większą niż obecne technologie konkurencyjne. Niektóre z jego wypowiedzi to: “Jeśli to będzie możliwe, samochody elektryczne będą mogły być ładowane w ciągu kilku sekund”.

Celem jest wykładnicze skrócenie ścieżek jonów w komórce baterii. Drukowanie 3D w skali nano pozwoli jego zespołowi ponownie rozważyć tę 20-letnią ideę, aby móc drukować wewnętrzne struktury baterii w taki sposób, aby elektrony mogły przechodzić przez całą komórkę jednocześnie, a nie musiały przechodzić z jednej strony komórki na drugą.

Dzięki możliwości dokładnego drukowania metalowych struktur o rozmiarze do 25 mikronów zarówno nanorobotyka (mikrochipy w skali nano), jak i mikroelektronika, mogą w równym stopniu skorzystać na tej technologii.

Technologie drukarek 3D w skali nano

Chemik Liaisan Khasanova z Uniwersytetu w Oldenburgu jest odpowiedzialna za stworzenie specjalnego końcówki dyszy wymaganej do drukowania w skali nano. Zaczynając od zwykłej rury szklanej, 1-milimetrowej rury kapilarnej wstawia się niebieską ciecz. Po zastosowaniu prądu elektrycznego następuje reakcja, w wyniku której słychać głośny huk. Rurę następnie usuwa się, ujawniając otwór wystarczająco mały, aby spełnić ich wymagania. “Wiązka laserowa wewnątrz urządzenia nagrzewa rurę i ciągnie ją na odległość. Następnie gwałtownie zwiększamy siłę napięcia, tak aby szkło pękło w środku i utworzyła się bardzo ostra końcówka”, wyjaśnia Khasanova, która pracuje nad swoim doktoratem z chemii w grupie Elektrochemicznej Nanotechnologii na Uniwersytecie w Oldenburgu w Niemczech.

Na kampusie Wechloy Uniwersytetu znajdują się 3 drukarki zbudowane i zaprogramowane we własnym zakresie, zgodnie z ich ścisłymi wymaganiami. Podobne w koncepcji do dzisiejszych konsumentów drukarek 3D, ale z jedną małą różnicą – rozmiarem.

Te drukarki koncentrują się na dokładności, wykorzystując duże granitowe podstawy warstwowe z pianką, aby pomóc w redukcji wibracji wytworzonych przez proces drukowania. Te kroki pomagają w precyzyjnym kontrolowaniu drukarki 3D, co skutkuje wyższą dokładnością na mniejszych skalach. Konwencjonalne drukarki 3D na bazie proszku metalu są w stanie osiągnąć tylko rozdzielczość na poziomie mikronów, co stanowi różnicę wielkości 1000-krotną.

Środowisko drukarki jest również brane pod uwagę, zespół wziął pod uwagę światła w swoim laboratorium ze względu na zakłócenia elektromagnetyczne. Używają one baterii zasilanych światłami, aby pomóc w izolacji pola elektromagnetycznego generowanego przez prądy przemiennie.

Krótki rzut oka na metalowe nanostruktury

Nano-drukowane cząsteczki plastiku są łatwo manipulowane w strukturalne kształty ze względu na ich brak wytrzymałości i niższe tolerancje cieplne. Giętka natura plastiku daje naukowcom możliwość manipulowania plastikiem w mniejsze kształty. Ta łatwość użycia doprowadziła do większości ostatnich postępów w technologii drukowania.

W porównaniu, drukowanie metalu w skali nano wymaga ściślejszych tolerancji i wyższej odporności na ciepło i zużycie. Te drukarki wymagały ostatnich postępów od ulepszonych algorytmów drukowania do wynalezionych ponownie końcówek drukarki, aby umożliwić małe i dokładne drukowanie.

Obecnie zespół może pracować z miedzią, srebrem, niklem, stopem niklu i manganu oraz stopem niklu i kobaltu. Dr. Momotenko i zespół badaczy byli w stanie stworzyć spiralne kolumny miedzi o średnicy 25 nanometrów, czyli 195 atomów miedzi, jako część swoich badań opublikowanych w Journal of Nanotechnologies w 2021 roku. Wykorzystując metodę stworzoną przez Dr. Momotenko i jego kolegę Juliana Hengstelera, mechanizm sprzężenia zwrotnego jest używany w połączeniu z głowicą wyprowadzającą, aby pośredniczyć w procesie retrakcji wymaganym do zapobiegania zestalaniu się dyszy w trakcie drukowania. Drukowanie odbywa się warstwa po warstwie z prędkością kilku nanometrów na sekundę.

3D drukowanie nanoskalowych kolumn miedzi. Zdjęcie dzięki uprzejmości Nano Letters.

Czas jest najważniejszy

Drukowanie płaskich, spiralnych obiektów dobrze służy postępom w magazynowaniu energii i produkcji. Kontroluje nanostruktury w taki sposób, aby protony mogły przechodzić przez baterię szybko i równomiernie. To skutkuje zwiększonymi szybkościami ładowania i rozładowywania baterii.

To będzie korzystne dla branż, które opierają się na magazynowaniu energii, od baterii samochodów elektrycznych, po domy poza siecią lub wymagania magazynowania serwerów danych, które nie mogą być wyłączone z powodu awarii sieci zasilającej.

Najpierw pojawia się ryzyko

Aby zminimalizować ryzyko związane z produkcją baterii litowo-jonowych, specjalne komory są wypełnione inertnym gazem argonowym pod dodatnim ciśnieniem. Komora jest wielkości 10 stóp długości i waży prawie 1000 funtów.

Jak bateria zarządza ciepłem wytworzonym przez swoją reakcję, gdy jest naładowana do pełnej pojemności? “Z jednej strony pracujemy nad chemią niezbędną do wytworzenia aktywnych materiałów elektrodowych w skali nano; z drugiej strony, staramy się dostosować technologię drukowania do tych materiałów”, mówi Dr. Momotenko.

Potem następuje postęp

Opierając się na istniejących technologiach elektrochemicznych, byli w stanie dostosować tę metodę (jonów miedzi o ładunku dodatnim z elektrodą o ładunku ujemnym w roztworze soli). Końcówka wyprowadzająca, którą opracował zespół, pozwoliła im na drukowanie 3D w skali nano, w porównaniu z obecnie dostępnymi drukarkami 3D na bazie proszku, które są ograniczone do mikronów.

Technologia baterii jest tylko pierwszym przypadkiem użycia, Dr. Momotenko ma w planach inne śmiałe koncepcje. Planuje wykorzystać tę technologię drukowania do skapitalizowania młodszej dziedziny zwanej spintroniką, która koncentruje się na manipulowaniu “spinem” – kwantowym właściwościem elektronów.

Planuje również wyprodukować czujniki zdolne do wykrywania pojedynczych cząsteczek. To pomoże w wykrywaniu choroby Alzheimera, która jest znana z ułamkowych ilości biomarkerów.

Nawet po opracowaniu tej technologii, zespół pozostaje w podziwie dla możliwości tworzenia obiektów, których ludzkie oko nie jest w stanie zobaczyć bez pomocy.