3D tlač v nanometroch sa približuje realite

3D tlač v nanometroch je schopnosť 3D tlače objektov meraných v nanometroch. Ako príklad je možné uviesť 1,000,000 1 75,000 nanometrov na 100,000 milimeter. Aby sme lepšie pochopili veľkosť alebo nedostatok, mali by sme uviesť veľkosť jedného ľudského vlasu, ktorá má priemer XNUMX XNUMX – XNUMX XNUMX nanometrov.

Skúmanie 3D tlače v nanoúrovni

Táto mikroskopická škála je hostiteľom množstva potenciálnych produktov narúšajúcich priemysel, od menších počítačových čipov a 1 ks tlačených počítačových dosiek až po kovové časti v nanoúrovni, ktoré umožňujú rýchlejšie nabíjanie/vybíjanie batérií.

Tento prielom zvýši efektivitu a zvýši produktivitu menších dielov.

Odvetvia ako mikroelektronika, nanorobotika a senzorové technológie ťažia zo schopnosti vytvárať v takejto nanorozmere bez kompromisov v presnosti. V tomto čase univerzity v celej Amerike skúmajú rôzne spôsoby tlače v nanoúrovni pri zachovaní presnosti, ktorú vyžadujú príslušné odvetvia.

Niekoľko z týchto inštitútov sa zameriava na pokrok v elektrických technológiách, zatiaľ čo iné sa zameriavajú na metódy nanotlače, ktoré využívajú fotochemické reakcie vrátane imobilizácie proteínov, glykánov alebo génov. 

Syntetické materiály a plasty tlačené v nanometroch už dlho ťažia zo schopnosti tlačiť v tomto meradle, iba v predchádzajúcich 2 až 3 rokoch vedci urobili prelom v tlači kovových predmetov presne na túto veľkosť.

3D tlačový kov v tejto mierke umožňuje vedcom zostaviť objekt atóm po atóme. 

Riešenia 3D tlače v nanometroch 

doktor Dmitrij Momotenko, ktorý vedie juniorskú výskumnú skupinu v Chemický ústavVerí, že táto technológia umožní jeho tímu 3D tlač batérií, ktoré sa dokážu nabíjať a vybíjať rýchlosťou presahujúcou 1000-krát rýchlejšie ako súčasné konkurenčné technológie. Niektoré z jeho vyjadrení zahŕňajú: „Ak sa to dá dosiahnuť dnes, EV sa dajú nabiť v priebehu niekoľkých sekúnd“.

Cieľom je exponenciálne skrátiť cesty medzi iónmi v batériovom článku. 3D tlač v nanorozmeroch umožní jeho tímu prehodnotiť tento 20-ročný nápad v nádeji, že bude schopný 3D vytlačiť vnútorné štruktúry batérií spôsobom, ktorý umožní elektrónom prejsť celou bunkou naraz, v porovnaní s tým, že budú musieť prejsť z jednej. strane bunky k druhej.

So schopnosťou presnej tlače kovových štruktúr až do 25 mikrónov obe nanorobotika (mikročipy v nanoúrovni) a mikroelektronika majú z tejto technológie rovnaký úžitok.

Technológia 3D tlačiarní v nanometroch 

Chemička Liaisan Khasanova v University of Oldenburg má za úlohu vytvoriť špecializovaný hrot trysky potrebný na tlač v nanomierke. Počnúc obyčajnou trubicou z kremičitého skla sa do kapilárnej trubice s hrúbkou 1 mm vloží modrá kvapalina. Akonáhle je aplikovaná elektrina, dôjde k reakcii, ktorá vedie k hlasnému tresku. Rúrka sa potom odstráni, čím sa odhalí dostatočne malý otvor, aby vyhovoval ich požiadavkám. "Laserový lúč vo vnútri zariadenia zahrieva trubicu a rozťahuje ju. Potom náhle zvýšime ťažnú silu, takže sa sklo v strede rozbije a vytvorí sa veľmi ostrý hrot,“ vysvetľuje Khasanova, ktorá pracuje na svojom Ph.D. v chémii v skupine Electrochemical Nanotechnology Group pri University of Oldenburg, Nemecko.

Na Univerzite Wechloy kampus, laboratórium obsahuje 3 tlačiarne, ktoré sú postavené a naprogramované interne podľa ich náročných štandardov. Konceptom podobný dnešným spotrebiteľským 3D tlačiarňam, no s jedným malým rozdielom – veľkosťou.

Tieto tlačiarne sa zameriavajú na presnosť a využívajú veľké žulové základne vrstvené penou, ktoré pomáhajú znižovať vibrácie vytvárané procesom tlače. Tieto kroky pomáhajú pri presnom ovládaní 3D tlačiarne, čo vedie k vyššej presnosti v menších mierkach. Bežné kovové 3D tlačiarne na báze prášku sú schopné rozlíšenia len na úrovni mikrónov, čo je rozdiel vo veľkosti 1000x.  

Zohľadňuje sa aj prostredie tlačiarne, tím vzal do úvahy svetlá v laboratóriu kvôli elektromagnetickému rušeniu. Používajú svetlá napájané z batérie, ktoré pomáhajú izolovať elektromagnetické pole generované striedavými prúdmi.

Malý pohľad na kovové nanoštruktúry

Plastové molekuly vytlačené v nanorozmere sa dajú ľahko manipulovať do štruktúrnych tvarov vzhľadom na ich nedostatočnú pevnosť a nižšiu tepelnú toleranciu. Kujná povaha plastu ponúka vedcom možnosť manipulovať s plastom do menších tvarov. Táto jednoduchosť použitia viedla k väčšine nedávnych pokrokov v technológii tlače.

Na porovnanie, 3D tlač nanometrov kovu vyžaduje prísnejšie tolerancie a vyššiu odolnosť voči teplu a opotrebovaniu. Tieto tlačiarne si vyžadovali nedávny pokrok od prepracovaných tlačových algoritmov až po prerobené hroty tlačiarní, ktoré umožňujú presné malé výtlačky. 

V súčasnosti je tím schopný pracovať so zliatinami medi, striebra, niklu, niklu a mangánu a niklu a kobaltu. Dr. Momotenko a tím výskumníkov boli úspešní pri vytváraní medených špirálových stĺpcov s veľkosťou 25 nanometrov alebo 195 atómov medi v rámci svojich štúdií publikovaných v Journal of Nanotechnologies v roku 2021. Pomocou metódy, ktorú vytvorili Dr. Momotenko a jeho kolega Julian Hengsteler, sa v spojení s vytláčacou hlavou používa mechanizmus spätnej väzby na sprostredkovanie procesu zaťahovania potrebného na zabránenie stuhnutia trysky uprostred tlače. Výtlačky sa tvarujú po jednej vrstve rýchlosťou niekoľkých nanometrov za sekundu. 

3D tlač medených stĺpov v nanometroch. Fotografický kredit Nano písmená.

Čas je tu veľmi podstatný

Tlač plochých špirálovitých predmetov dobre prispieva k pokroku v oblasti skladovania a výroby batérií. Riadi nanoštruktúry spôsobom, ktorý umožňuje protónom prechádzať cez batériu rýchlo a rovnomerne. Výsledkom je zvýšená rýchlosť nabíjania a vybíjania batérií.

To bude prínosom pre odvetvia závislé od skladovania energie, od batérií EV až po domácnosti mimo siete, alebo požiadavky na ukladanie dátových serverových fariem, ktoré nikdy nemôžu prejsť do režimu offline v dôsledku zlyhania elektrickej siete.

Najprv prichádza riziko

Na zmiernenie rizík spojených s výrobou lítium-iónových batérií sú špecializované utesnené komory naplnené inertným argónovým plynom s pozitívnym tlakom. Komora je dimenzovaná na umiestnenie tlačiarne v inertnom prostredí, má dĺžku 10 stôp a váži takmer 1000 libier.

Ako bude batéria zvládať teplo vznikajúce pri jej reakcii, keď je nabitá na plnú kapacitu? „Na jednej strane pracujeme na chémii potrebnej na výrobu aktívnych elektródových materiálov v nanoúrovni; na druhej strane sa snažíme týmto materiálom prispôsobiť technológiu tlače,“ hovorí doktor Momotenko.

Potom príde pokrok

Spoliehajúc sa na existujúce technológie galvanického pokovovania boli schopní prispôsobiť túto metódu (kladne nabité ióny medi so záporne nabitou elektródou vo vnútri soľného roztoku). The vytláčanie tip, ktorý tím vyvinul, im umožnil 3D tlač v nanomierke v porovnaní so súčasnými 3D tlačiarňami na báze prášku, ktoré sú obmedzené na mikrón.

Technológia batérií je len prvým prípadom použitia, Dr. Momotenko má na mysli ďalšie odvážne koncepty. Plánuje použiť túto tlačovú technológiu na využitie mladšieho odboru nazývaného spintronika, ktorý sa zameriava na schopnosť manipulovať s „spinom“ – kvantovou mechanickou vlastnosťou elektrónov.

Plánuje tiež výrobu senzorov schopných detekovať jednotlivé molekuly. To by pomohlo pri odhaľovaní Alzheimerovej choroby, ktorá je známa zlomkovým množstvom biomarkerov. 

Aj po vývoji tejto technológie zostáva tím v úžase nad schopnosťou vytvárať objekty, ktoré ľudské oko bez pomoci nedokáže vidieť.