Наноразмерная 3D-печать приближается к реальности

Наноразмерная 3D-печать – это возможность 3D-печати объектов, измеряемых в нанометрах. Например, в 1 миллиметре содержится 1 000 000 нанометров. Чтобы лучше понять размер или его отсутствие, мы должны сослаться на размер человеческого волоса, который составляет 75 000-100 000 нанометров в диаметре.

Изучение наноразмерной 3D-печати

Эта микроскопическая шкала имеет потенциал для создания ряда продуктов, способных нарушить существующий порядок в отрасли, от более мелких компьютерных чипов и печатных плат до наноразмерных металлических деталей, которые позволяют ускорить процесс зарядки и разрядки батарей.

Этот прорыв улучшит эффективность и увеличит производительность более мелких деталей.

Отрасли, такие как микроэлектроника, наноробототехника и технологии датчиков, могут получить выгоду от возможности создания объектов на наноразмере без ущерба для точности. В настоящее время университеты США исследуют различные способы печати на наноразмере, сохраняя при этом необходимую точность для своих отраслей.

Некоторые из этих институтов сосредоточены на совершенствовании электрических технологий, в то время как другие направляют свои усилия на методы нанопечати, которые используют фотоchemical реакции, включая иммобилизацию белков, гликанов или генов.

Наноразмерные печатные синтетические материалы и пластмассы давно пользуются возможностью печати на этом масштабе, и только за последние 2-3 года ученые добились прорывов в печати металлических объектов точно до этого размера.

3D-печать металла на этом масштабе позволяет ученым собирать объект атом за атомом.

Решения наноразмерной 3D-печати

Доктор Дмитрий Момотенко, который возглавляет молодежную исследовательскую группу в Институте химии, считает, что эта технология позволит его команде создать 3D-печатные батареи, которые могут заряжаться и разряжаться с скоростями, превышающими в 1000 раз текущие технологии. Некоторые из его заявлений включают: “Если это можно добиться сегодня, электромобили можно зарядить в течение нескольких секунд”.

Цель – экспоненциально сократить пути между ионами в батарейной ячейке. Наноразмерная 3D-печать позволит его команде пересмотреть эту 20-летнюю идею, надеясь создать 3D-печатные внутренние структуры батарей таким образом, чтобы электроны могли проходить через всю ячейку одновременно, а не проходить с одной стороны ячейки на другую.

С помощью возможности точно печатать металлические структуры размером до 25 микрон как наноробототехника (наноразмерные микрочипы), так и микроэлектроника могут получить выгоду от этой технологии.

Технологии наноразмерных 3D-принтеров

Химик Ляйсан Хасанова в Университете Ольденбурга работает над созданием специального наконечника сопла, необходимого для печати на наноразмере. Начиная с обычного стеклянного трубка, в него вставляется 1-миллиметровая капиллярная трубка с синей жидкостью. После подачи электричества происходит реакция, в результате которой слышен громкий хлопок. Трубка затем удаляется, открывая отверстие, достаточно маленькое, чтобы удовлетворить их требованиям. “Лазерный луч внутри устройства нагревает трубку и тянет ее. Затем мы внезапно увеличиваем растягивающую силу, так что стекло ломается в середине, и образуется очень острый кончик”, объясняет Хасанова, которая работает над своей диссертацией по химии в группе электрохимической нанотехнологии в Университете Ольденбурга, Германия.

В кампусе Университета Вехлой есть лаборатория, оснащенная тремя принтерами, построенными и запрограммированными в-house до их точных стандартов. Аналогично современным потребительским 3D-принтерам, но с одним небольшим отличием – размером.

Эти принтеры фокусируются на точности, используя большие гранитные основания, покрытые пеной, чтобы помочь уменьшить вибрации, создаваемые процессом печати. Эти шаги помогают точно контролировать 3D-принтер, в результате чего получается более высокая точность на меньших масштабах. Традиционные порошковые металлические 3D-принтеры способны только на микронном уровне разрешения, что в 1000 раз больше.

Среда принтера также учитывается, команда приняла во внимание свет в их лаборатории из-за электромагнитных помех. Они используют батарейные лампы, чтобы помочь изолировать электромагнитное поле, генерируемое переменными токами.

Небольшой взгляд на металлические наноструктуры

Наноразмерные печатные пластиковые молекулы легко манипулируются в структурные формы благодаря их отсутствию прочности и более низкой термостойкости. Гибкая природа пластика дает ученым возможность манипулировать пластиком в более мелкие формы. Эта легкость использования привела к большинству недавних достижений в технологии печати.

В сравнении с этим наноразмерная 3D-печать металла требует более жестких допусков и более высокого сопротивления как к теплу, так и к износу. Эти принтеры требуют недавних достижений от усовершенствованных алгоритмов печати до изобретенных принтерных наконечников, чтобы обеспечить небольшие точные печати.

В настоящее время команда может работать с медью, серебром, никелем, никель-марганцем и никель-кобальтовыми сплавами. Доктор Момотенко и команда исследователей успешно создали медные спиральные столбцы размером 25 нанометров или 195 атомов меди в рамках своих исследований, опубликованных в Журнале нанотехнологий в 2021 году. Используя метод, созданный доктором Момотенко и его коллегой Юлианом Хенгстелером, используется механизм обратной связи в сочетании с экструзионной головкой для регулирования процесса возврата, необходимого для предотвращения затвердевания сопла во время печати. Печати принимают форму один слой за раз со скоростью нескольких нанометров в секунду.

3D-печать наноразмерных медных столбцов. Фотокредит: Nano Letters.

Время имеет значение

Печать плоских спиральных объектов хорошо подходит для совершенствования хранения и производства батарей. Это контролирует наноструктуры таким образом, что позволяет протонам проходить через батарею быстро и равномерно. Это приводит к улучшению скоростей зарядки и разрядки батарей.

Это принесет пользу отраслям, которые полагаются на хранение энергии, от батарей для электромобилей до домов с автономным энергообеспечением или требований к хранению данных серверных ферм, которые никогда не могут отключаться из-за сбоя в сети электропитания.

Сначала риск

Чтобы снизить риски, связанные с производством литий-ионных батарей, используются специализированные герметичные камеры, заполненные положительным давлением инертного аргона. Размер камеры составляет 10 футов в длину и весит почти 1000 фунтов.

Как батарея будет управлять теплом, произведенным ее реакцией, когда она заряжена до полной емкости? “С одной стороны, мы работаем над химией, необходимой для производства активных электродных материалов на наноразмере; с другой стороны, мы пытаемся адаптировать технологию печати к этим материалам”, говорит доктор Момотенко.

Затем наступает прогресс

Полагаясь на существующие электрогальванические технологии, они смогли адаптировать этот метод (положительно заряженные ионы меди с отрицательно заряженным электродом внутри раствора соли). Наконечник сопла, разработанный командой, позволил им 3D-печатать на наноразмере, в отличие от текущих порошковых 3D-принтеров, которые ограничены микронами.

Технология батарей – это только первый случай использования, у доктора Момотенко есть другие смелые концепции. Он планирует использовать эту технологию печати, чтобы воспользоваться более молодой областью, называемой спинтроникой, которая направлена на манипулирование “спином” – квантовым свойством электронов.

Он также планирует производить датчики, способные обнаруживать отдельные молекулы. Это поможет обнаружить болезнь Альцгеймера, известную своими дробными количествами биомаркеров.

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