Imprimarea 3D la scară nanometrică se apropie de realitate

Imprimarea 3D la scară nanometrică este capacitatea de a imprima obiecte măsurate în nanometri. Ca exemplu, există 1.000.000 de nanometri în 1 milimetru. Pentru a înțelege mai bine mărimea sau lipsa acesteia, ar trebui să ne referim la mărimea unui fir de păr uman, care are un diametru de 75.000-100.000 de nanometri.

Explorarea imprimării 3D la scară nanometrică

Această scară microscopică găzduiește o varietate de produse care pot schimba industrii, de la cipuri de calculator mai mici și plăci de circuit imprimate la scară nanometrică, până la părți metalice la scară nanometrică care permit încărcarea și descărcarea mai rapidă a bateriilor.

Această inovație va îmbunătăți eficiența și va crește productivitatea pieselor mai mici.

Industrii precum microelectonica, nanorobotica și tehnologia senzorilor vor beneficia de capacitatea de a crea la această scară nanometrică fără a compromite precizia. În prezent, universitățile din America cercetează diferite moduri de a imprima la scară nanometrică, menținând în același timp precizia necesară pentru industriile respective.

Dintre aceste instituții, unele se concentrează pe progresele în tehnologia electrică, în timp ce altele își concentrează atenția asupra metodelor de imprimare la scară nanometrică care utilizează reacții fotochimice, incluzând imobilizarea proteinelor, glicanilor sau genelor.

Materialele sintetice și plastice imprimate la scară nanometrică au beneficiat de mult timp de capacitatea de a imprima la această scară, dar abia în ultimii 2-3 ani oamenii de știință au făcut progrese în imprimarea obiectelor metalice cu precizie la această dimensiune.

Imprimarea 3D a metalelor la această scară permite oamenilor de știință să asambleze un obiect atom cu atom.

Soluții de imprimare 3D la scară nanometrică

Dr. Dmitry Momotenko, care conduce grupul de cercetare junior la Institutul de Chimie, crede că această tehnologie va permite echipei sale să imprime baterii care pot fi încărcate și descărcate la rate de peste 1000 de ori mai rapide decât tehnologiile actuale. Unele dintre declarațiile sale includ: “Dacă acest lucru poate fi realizat astăzi, vehiculele electrice pot fi încărcate în câteva secunde”.

Scopul este de a scurta exponențial căile dintre ioni în celula bateriei. Imprimarea 3D la scară nanometrică va permite echipei sale să reexamineze această idee veche de 20 de ani, în speranța de a putea imprima structuri interne de baterii într-un mod care permite electronilor să treacă prin întreaga celulă deodată, și nu să treacă dintr-o parte a celulei în alta.

Cu capacitatea de a imprima structuri metalice cu precizie până la 25 de microni, atât nanorobotica (microcipuri la scară nanometrică), cât și microelectonica vor beneficia în mod egal de această tehnologie.

Tehnologii de imprimare 3D la scară nanometrică

Chimistul Liaisan Khasanova de la Universitatea din Oldenburg este responsabilă pentru crearea vârfului de duză specializat necesar pentru imprimarea la scară nanometrică. Începând cu un tub de sticlă de siliciu obișnuit, un tub capilar de 1 mm este introdus cu un lichid albastru. Odată ce se aplică electricitate, are loc o reacție care rezultă într-un zgomot puternic. Tubul este apoi îndepărtat, dezvăluind un gol suficient de mic pentru a îndeplini cerințele lor. “Un fascicul laser din interiorul dispozitivului încălzește tubul și îl trage afară. Apoi, creștem brusc forța de întindere, astfel încât sticla se sparge în mijloc și se formează un vârf foarte ascuțit”, explică Khasanova, care lucrează la doctoratul în chimie în Grupul de Tehnologie Electrochimică Nanometrică de la Universitatea din Oldenburg, Germania.

La campusul universității Wechloy, laboratorul dispune de 3 imprimante care sunt construite și programate în interior pentru a îndeplini standardele lor exigente. Asemănătoare cu conceptul imprimantelor 3D pentru consumatori de astăzi, dar cu o mică diferență – mărimea.

Aceste imprimante se concentrează pe precizie, utilizând baze de granit mare cu spumă pentru a reduce vibrațiile create de procesul de imprimare. Aceste etape ajută la controlarea precisă a imprimantei 3D, rezultând într-o precizie mai mare la scară nanometrică. Imprimantele 3D convenționale cu pulbere metalică sunt capabile doar de rezoluții la nivel de micron, o diferență de mărime de 1000 de ori.

Mediul imprimantei este, de asemenea, luat în considerare, echipa a luat în considerare luminile din laboratorul lor din cauza interferenței electromagnetice. Ei folosesc lumini cu baterii pentru a ajuta la izolarea câmpului electromagnetic generat de curenții alternativi.

O privire asupra nanostructurilor metalice

Moleculele de plastic imprimate la scară nanometrică pot fi ușor manipulate în forme structurale datorită lipsei de rezistență și a toleranței termice mai scăzute. Natura maleabilă a plasticului oferă oamenilor de știință capacitatea de a manipula plasticul în forme mai mici. Această ușurință în utilizare a condus la majoritatea progreselor recente în tehnologia de imprimare.

În comparație, imprimarea 3D metalică la scară nanometrică necesită toleranțe mai strânse și o rezistență mai mare la căldură și uzură. Aceste imprimante au necesitat progrese recente de la algoritmi de imprimare rafinați la vârfuri de imprimantă reinventate pentru a permite imprime precise la scară nanometrică.

În prezent, echipa poate lucra cu cupru, argint, nichel, aliaje de nichel-mangan și nichel-cobalt. Dr. Momotenko și o echipă de cercetători au reușit să creeze coloane spiralate de cupru de 25 de nanometri sau 195 de atomi de cupru în mărime, ca parte a studiilor publicate în Journal of Nanotechnologies în 2021. Utilizând o metodă creată de Dr. Momotenko și colegul său Julian Hengsteler, un mecanism de feedback este utilizat în conjuncție cu capul de extrudare pentru a media procesul de retragere necesar pentru a preveni solidificarea duzei în timpul imprimării. Imprimările iau formă strat cu strat la viteze de câteva nanometri pe secundă.

Imprimare 3D nanometrică a coloanelor de cupru. Credit foto: Nano Letters.

Timpul este esențial

Imprimarea obiectelor plate spiralate se pretează bine la progresele în stocarea bateriilor și producția acestora. Acesta controlează nanostructurile într-un mod care permite protonilor să treacă prin baterie rapid și uniform. Acest lucru duce la rate de încărcare și descărcare a bateriilor îmbunătățite.

Acest lucru va beneficia industriile care depind de stocarea energiei, de la bateriile pentru vehicule electrice, la casele izolate de rețeaua electrică, sau cerințele de stocare a serverelor de date care nu pot fi oprite niciodată din cauza unei întreruperi a rețelei electrice.

Riscul vine primul

Pentru a reduce riscurile asociate cu producerea bateriilor cu ioni de litiu, camere speciale etanșate sunt umplute cu un gaz inert de argon sub presiune pozitivă. Dimensiunile camerei sunt de 10 picioare lungime și cântăresc aproape 1000 de lire.

Cum va gestiona bateria căldura produsă de reacția sa atunci când este încărcată la capacitate maximă? “Pe de o parte, lucrăm la chimia necesară pentru a produce materiale active de electrod la scară nanometrică; pe de altă parte, încercăm să adaptăm tehnologia de imprimare la aceste materiale”, spune Dr. Momotenko.

Apoi vine progresul

În funcție de tehnologiile electrochimice existente, au reușit să adapteze această metodă (ioni de cupru pozitiv încărcați cu un electrod negativ încărcat în soluția de sare). Vârful de extrudare pe care l-au dezvoltat a permis echipei să imprime 3D la scară nanometrică, comparativ cu imprimantele 3D cu pulbere metalică actuale, care sunt limitate la microni.

Tehnologia bateriilor este doar primul caz de utilizare, Dr. Momotenko are și alte concepte îndrăznețe în minte. El plănuiește să utilizeze această tehnologie de imprimare pentru a valorifica un domeniu mai tânăr numit spintronică, care vizează capacitatea de a manipula “spinul” – o proprietate mecanică cuantică a electronilor.

El plănuiește, de asemenea, să producă senzori capabili să detecteze molecule individuale. Acest lucru ar ajuta la detectarea bolii Alzheimer, notorie pentru cantitățile sale fractionale de biomarkeri.

Chiar și după dezvoltarea acestei tehnologii, echipa rămâne uimită de capacitatea de a crea obiecte pe care ochiul uman nu le poate vedea fără asistență.