Наноразмерная 3D-печать приближается к реальности

Наноразмерная 3D-печать — это возможность печатать в 3D объекты, измеряемые в нанометрах. Например, в 1,000,000 миллиметре 1 75,000 100,000 нанометров. Чтобы лучше понять размер или его отсутствие, мы должны сослаться на размер одного человеческого волоса, который составляет XNUMX XNUMX–XNUMX XNUMX нанометров в диаметре.

Изучение наноразмерной 3D-печати

Этот микроскопический масштаб содержит целый ряд потенциально революционных продуктов: от небольших компьютерных чипов и одноплатных компьютеров до металлических деталей в наномасштабе, которые открывают возможности более быстрой зарядки/разрядки аккумуляторов.

Этот прорыв повысит эффективность и повысит производительность мелких деталей.

Такие отрасли, как микроэлектроника, наноробототехника и сенсорные технологии, выиграют от возможности творить в таком наномасштабе без ущерба для точности. В это время университеты по всей Америке исследуют различные способы печати в наномасштабе, сохраняя при этом точность, требуемую их соответствующими отраслями.

Некоторые из этих институтов сосредоточены на достижениях в области электрических технологий, в то время как другие нацелены на методы нанопечати, использующие фотохимические реакции, включая иммобилизацию белков, гликанов или генов. 

Наноразмерные печатные синтетические материалы и пластмассы уже давно извлекают выгоду из возможности печатать в таком масштабе, и только в предыдущие 2-3 года ученые добились прорыва в печати металлических объектов с точностью до такого размера.

3D-печать металлом в таком масштабе позволяет ученым собирать объект атом за атомом. 

Решения для наноразмерной 3D-печати 

Доктор Дмитрий Момотенко, который возглавляет младшую исследовательскую группу в Институте химии, считает, что эта технология позволит его команде печатать на 3D-принтере батареи, которые смогут заряжаться и разряжаться со скоростью, превышающей 1000 раз быстрее, чем нынешние конкурирующие технологии. Некоторые из его заявлений включают: «Если это будет реализовано сегодня, электромобили можно будет заряжать за считанные секунды»..

Цель — экспоненциально сократить пути между ионами в аккумуляторной ячейке. Наномасштабная 3D-печать позволит его команде вернуться к этой 20-летней идее в надежде на то, что внутренняя структура аккумуляторов будет печататься на 3D-принтере таким образом, чтобы электроны проходили через всю ячейку сразу, а не с одной стороны на другую.

Благодаря возможности точной печати металлических конструкций толщиной до 25 микрон как нааноробототехника (наноразмерные микрочипы) и микроэлектроника в равной степени выиграют от этой технологии.

Технологии наноразмерных 3D-принтеров 

Химик Ляйсан Хасанова на Университет Ольденбург ей поручено создать специализированный наконечник сопла, необходимый для печати в наномасштабе. Начиная с обычной трубки из кварцевого стекла, в капиллярную трубку толщиной 1 мм вставляется синяя жидкость. При подаче электричества происходит реакция, в результате которой раздается громкий хлопок. Затем трубка удаляется, обнажая отверстие, достаточно маленькое, чтобы удовлетворить их требования. «Лазерный луч внутри устройства нагревает трубку и разрывает ее на части. Затем мы резко увеличиваем усилие натяжения, чтобы стекло треснуло посередине и образовался очень острый наконечник». объясняет Хасанова, работающая над кандидатской диссертацией. по химии в группе электрохимических нанотехнологий в Университет Ольденбург, Германия.

В университете Вехлой В кампусе лаборатории установлено три принтера, которые производятся и программируются в соответствии со строгими стандартами компании. По своей концепции они схожи с современными потребительскими 3D-принтерами, но с одним небольшим отличием — размером.

Эти принтеры сосредоточены на точности, используя большие гранитные основания, покрытые пеной, чтобы помочь уменьшить вибрации, создаваемые в процессе печати. Эти шаги помогают точно управлять 3D-принтером, что приводит к более высокой точности в меньших масштабах. Обычные металлические 3D-принтеры на основе порошка способны работать только с микронным разрешением, а разница в размерах составляет 1000x.  

Также учитываются условия работы принтера: команда учла особенности освещения в лаборатории, учитывая электромагнитные помехи. Они используют аккумуляторные светильники, чтобы изолировать электромагнитное поле, создаваемое переменным током.

Небольшой взгляд на металлические наноструктуры

Наноразмерные печатные пластиковые молекулы легко превращаются в структурные формы, учитывая их низкую прочность и более низкую термостойкость. Податливая природа пластика дает ученым возможность превращать пластик в более мелкие формы. Эта простота использования привела к большинству последних достижений в технологии печати.

Для сравнения, наноразмерная 3D-печать металлами требует более жестких допусков и более высокой устойчивости к нагреву и износу. Эти принтеры нуждались в последних достижениях от усовершенствованных алгоритмов печати до заново изобретенных наконечников для принтеров, позволяющих печатать небольшие точные отпечатки. 

В настоящее время команда может работать с медными, серебряными, никелевыми, никель-марганцевыми и никель-кобальтовыми сплавами. Доктору Момотенко и группе исследователей удалось создать медные спиральные столбцы размером 25 нанометров или 195 атомов меди в рамках своих исследований, опубликованных в Журнал нанотехнологий в 2021 году. Используя метод, созданный доктором Момотенко и его коллегой Джулианом Хенгстелером, механизм обратной связи используется в сочетании с экструзионной головкой, чтобы опосредовать процесс втягивания, необходимый для предотвращения затвердевания сопла в середине печати. Отпечатки формируются один слой за раз со скоростью несколько нанометров в секунду. 

3D-печать наноразмерных медных колонн. Кредит на фото Nano Letters.

Время имеет существенное значение

Печать плоских спиральных объектов хорошо подходит для развития хранения и производства аккумуляторов. Он управляет наноструктурами таким образом, что позволяет протонам быстро и равномерно проходить через батарею. Это приводит к увеличению скорости зарядки и разрядки аккумуляторов.

Это принесет пользу отраслям, зависящим от аккумулирования энергии, от аккумуляторов электромобилей до автономных домов или требований к хранению данных ферм серверов данных, которые никогда не могут отключиться из-за сбоя в электросети.

Сначала идет риск

Для снижения рисков, связанных с производством литий-ионных аккумуляторов, специальные герметичные камеры заполняются инертным газом аргоном под избыточным давлением. Камера рассчитана на размещение принтера в инертной среде, имеет длину 10 футов и весит почти 1000 фунтов.

Как батарея будет распоряжаться теплом, выделяемым в результате реакции, когда она заряжена до полной емкости? «С одной стороны, мы работаем над химией, необходимой для производства активных электродных материалов в наномасштабе; с другой стороны, мы пытаемся адаптировать технологию печати к этим материалам». говорит доктор Момотенко.

Затем идет прогресс

Опираясь на существующие технологии гальванического покрытия, они смогли адаптировать этот метод (положительно заряженные ионы меди с отрицательно заряженным электродом внутри солевого раствора). экструзия Подсказка, которую разработала команда, позволила им печатать в наномасштабе по сравнению с современными 3D-принтерами на основе порошка, которые ограничены микронами.

Аккумуляторная технология — это только первый вариант использования, у доктора Момотенко есть и другие смелые концепции. Он планирует использовать эту технологию печати, чтобы извлечь выгоду из более молодой области под названием спинтроника, которая нацелена на способность манипулировать «спином» — квантово-механическим свойством электронов.

Он также планирует производить датчики, способные обнаруживать отдельные молекулы. Это поможет в диагностике болезни Альцгеймера, известной своим незначительным количеством биомаркеров. 

Даже после разработки этой технологии команда остается в восторге от способности создавать объекты, которые человеческий глаз не в состоянии увидеть без посторонней помощи.