Impressão 3D em Escala Nanométrica Está se Aproximando da Realidade

A impressão 3D em escala nanométrica é a capacidade de imprimir objetos medidos em nanômetros. Como exemplo, há 1.000.000 de nanômetros em 1 milímetro. Para entender melhor o tamanho ou a falta dele, devemos referenciar o tamanho de um fio de cabelo humano, que é de 75.000-100.000 nanômetros de diâmetro.

Explorando a impressão 3D em escala nanométrica

Essa escala microscópica hospeda uma variedade de produtos potencialmente disruptivos para a indústria, desde chips de computador menores e placas de computador impressas em uma peça até partes metálicas em escala nanométrica que permitem taxas de carregamento e descarregamento mais rápidas para baterias.

Essa inovação melhorará a eficiência e aumentará a produtividade de peças menores.

Indústrias como microeletrônica, nanorobótica e tecnologias de sensores se beneficiarão da capacidade de criar em uma escala nanométrica sem comprometer a precisão. Atualmente, universidades em toda a América estão pesquisando diferentes maneiras de imprimir em escala nanométrica enquanto mantêm a precisão que suas respectivas indústrias exigem.

Vários desses institutos estão se concentrando em avanços em tecnologias elétricas, enquanto outros têm seus olhos fixos em métodos de nanoimpressão que utilizam reações fotoquímicas, incluindo a imobilização de proteínas, glicanos ou genes. 

Materiais sintéticos e plásticos impressos em escala nanométrica há muito se beneficiam da capacidade de imprimir nessa escala, mas apenas nos últimos 2-3 anos os cientistas fizeram avanços na impressão de objetos metálicos com precisão nessa escala.

A impressão 3D de metal nessa escala permite que os cientistas montem um objeto átomo por átomo. 

Soluções de impressão 3D em escala nanométrica 

Dr. Dmitry Momotenko, que lidera o grupo de pesquisa júnior no Instituto de Química, acredita que essa tecnologia permitirá que sua equipe imprima baterias que possam recarregar e descarregar a taxas superiores a 1000x em relação às tecnologias concorrentes atuais. Algumas de suas declarações incluem: “Se isso puder ser alcançado hoje, os veículos elétricos podem ser carregados em segundos”.

O objetivo é encurtar exponencialmente os caminhos entre íons na célula da bateria. A impressão 3D em escala nanométrica permitirá que sua equipe reexamine essa ideia de 20 anos em busca de imprimir as estruturas internas das baterias de uma maneira que permita que os elétrons passem pela célula inteira de uma vez, em vez de ter que passar de um lado da célula para o outro.

Com a capacidade de imprimir estruturas metálicas com precisão até 25 microns, tanto a nanorobótica (microchips em escala nanométrica) quanto a microeletrônica se beneficiarão igualmente dessa tecnologia.

Tecnologias de impressão 3D em escala nanométrica 

A química Liaisan Khasanova na Universidade de Oldenburg é responsável por criar a ponta de bico especializada necessária para imprimir em escala nanométrica. Começando com um tubo de vidro de sílica comum, um tubo capilar de 1 mm de espessura é inserido com um líquido azul. Uma vez que a eletricidade é aplicada, uma reação ocorre, resultando em um barulho alto. O tubo é então removido, revelando um buraco pequeno o suficiente para atender às suas necessidades. “Um feixe de laser dentro do dispositivo aquece o tubo e o puxa para apartar. Em seguida, aumentamos abruptamente a força de tração para que o vidro quebre no meio e forme uma ponta muito afiada,” explica Khasanova, que está trabalhando em seu Ph.D. em química no Grupo de Nanotecnologia Eletroquímica na Universidade de Oldenburg, Alemanha.

No campus Wechloy da Universidade, o laboratório possui 3 impressoras que são construídas e programadas internamente para atender aos padrões exatos. Semelhantes em conceito às impressoras 3D de consumo de hoje, mas com uma pequena diferença – o tamanho.

Essas impressoras se concentram na precisão, utilizando bases de granito grandes com espuma para ajudar na redução das vibrações criadas pelo processo de impressão. Essas etapas ajudam a controlar precisamente a impressora 3D, resultando em maior precisão em escalas menores. As impressoras 3D de metal baseadas em pó convencionais só são capazes de resoluções em nível de micrômetro, uma diferença de tamanho de 1000x.  

O ambiente da impressora também é fatorado, a equipe levou em consideração as luzes em seu laboratório devido à interferência eletromagnética. Eles usam luzes alimentadas por bateria para ajudar a isolar o campo eletromagnético gerado por correntes alternadas.

Um olhar sobre nanoestruturas metálicas

Moléculas de plástico impressas em escala nanométrica são facilmente manipuladas em formas estruturais devido à falta de força e menor tolerância ao calor. A natureza maleável do plástico oferece aos cientistas a capacidade de manipular o plástico em formas menores. Essa facilidade de uso resultou na maioria dos avanços recentes na tecnologia de impressão.

Em comparação, a impressão 3D de metal em escala nanométrica requer tolerâncias mais apertadas e maior resistência ao calor e ao desgaste. Essas impressoras exigem avanços recentes em algoritmos de impressão refinados e pontas de impressora reinventadas para permitir impressões pequenas e precisas. 

Atualmente, a equipe é capaz de trabalhar com cobre, prata, níquel, liga de níquel-manganês e liga de níquel-cobalto. Dr. Momotenko e uma equipe de pesquisadores foram bem-sucedidos em criar colunas espirais de cobre de 25 nanômetros ou 195 átomos de cobre em tamanho como parte de seus estudos publicados no Journal of Nanotechnologies em 2021. Utilizando um método criado por Dr. Momotenko e seu colega Julian Hengsteler, um mecanismo de feedback é usado em conjunto com a cabeça de extrusão para mediar o processo de retração necessário para evitar que a bico solidifique durante a impressão. As impressões são feitas camada por camada a velocidades de alguns nanômetros por segundo. 

Impressão 3D de colunas de cobre em escala nanométrica. Crédito da foto para Nano Letters.

O tempo é essencial

Imprimir objetos planos espirais é benéfico para os avanços no armazenamento de baterias e produção. Isso controla as nanoestruturas de uma maneira que permite que os prótons passem pela bateria rapidamente e uniformemente. Isso resulta em taxas de carregamento e descarregamento de baterias aprimoradas.

Isso beneficiará indústrias que dependem do armazenamento de energia, desde baterias de veículos elétricos até casas fora da rede ou os requisitos de armazenamento de servidores de dados que nunca podem ser desligados devido a uma falha na rede de energia.

Primeiro vem o risco

Para mitigar os riscos associados à produção de baterias de íon-lítio, câmaras seladas especializadas são preenchidas com um gás inerte de argônio com pressão positiva. Dimensionadas para hospedar a impressora em um ambiente inerte, a câmara tem 10 pés de comprimento e pesa quase 1000 libras.

Como a bateria gerenciará o calor produzido por sua reação quando estiver carregada até a capacidade total? “Por um lado, estamos trabalhando na química necessária para produzir materiais de eletrodo ativos em escala nanométrica; por outro, estamos tentando adaptar a tecnologia de impressão a esses materiais,” diz Dr. Momotenko.

Então vem o progresso

Contando com tecnologias de eletrodeposição existentes, eles conseguiram adaptar esse método (íons de cobre positivamente carregados com um eletrodo negativamente carregado dentro da solução salina). A ponta de extrusão que a equipe desenvolveu permitiu que eles imprimissem em escala nanométrica, em comparação com as impressoras 3D baseadas em pó atuais que são limitadas a micrômetros.

A tecnologia de bateria é apenas o primeiro caso de uso, Dr. Momotenko tem outras concepções ousadas em mente. Ele planeja usar essa tecnologia de impressão para capitalizar em um campo mais jovem chamado spintrônica, que visa a capacidade de manipular o “spin” – uma propriedade quântica-mecânica dos elétrons.

Ele também planeja fabricar sensores capazes de detectar moléculas individuais. Isso ajudaria na detecção de Alzheimer, notório por suas quantidades fracionárias de biomarcadores. 

Mesmo após desenvolver essa tecnologia, a equipe permanece em admiração pela capacidade de criar objetos que o olho humano não consegue ver sem assistência.