Nanoskale 3D-utskrifter närmar sig verkligheten

Nanoskale 3D-utskrifter är förmågan att 3D-utskriva föremål som mäts i nanometer. Som exempel finns det 1 000 000 nanometer i 1 millimeter. För att bättre förstå storleken eller bristen därpå bör vi referera till storleken på ett mänskligt hår, som är 75 000-100 000 nanometer i diameter.

Utforska nanoskale 3D-utskrifter

Denna mikroskopiska skala har en mängd potentiella industriell störande produkter, från mindre datorchip och 1 utskriven datorplatta till nanoskala metalldelar som möjliggör snabbare laddning/urladdning för batterier.

Denna genombrott kommer att förbättra effektiviteten och öka produktiviteten för mindre delar.

Industrier som mikroelektronik, nanorobotik och sensorteknologi kommer att dra nytta av möjligheten att skapa på sådan nanoskala utan att kompromissa med noggrannheten. För närvarande forskar universitet över hela Amerika om olika sätt att utskriva på nanoskala samtidigt som de behåller den noggrannhet som deras respektive industrier kräver.

Flera av dessa institut fokuserar på framsteg inom elektriska tekniker medan andra har sina ögon på nano-utskriftsmetoder som använder foto kemiska reaktioner, inklusive immobilisering av proteiner, glykaner eller gener.

Nanoskala utskrivna syntetiska material och plaster har länge haft nytta av möjligheten att utskriva på denna skala, men det är bara under de senaste 2-3 åren som forskare har gjort genombrott i att utskriva metallföremål exakt till denna storlek.

3D-utskrifter av metall på denna skala möjliggör för forskare att montera ett föremål atom för atom.

Nanoskala 3D-utskriftslösningar

Dr. Dmitry Momotenko, som leder den juniora forskargruppen vid kemiska institutet, tror att denna teknik kommer att tillåta hans team att 3D-utskriva batterier som kan laddas och urladdas med hastigheter som överstiger 1000 gånger snabbare än nuvarande konkurrerande tekniker. Några av hans uttalanden inkluderar: “Om det kan uppnås idag kan elbilar laddas på några sekunder”.

Målet är att exponentiellt förkorta vägarna mellan joner i battericellen. Nanoskala 3D-utskrifter kommer att tillåta hans team att återbesöka denna 20-åriga idé i hopp om att kunna 3D-utskriva batteriets inre strukturer på ett sätt som tillåter elektroner att passera genom hela cellen på en gång, snarare än att passera från ena sidan av cellen till den andra.

Med möjligheten att exakt utskriva metallstrukturer ned till 25 mikron kommer både nanorobotik (nanoskala mikrochip) och mikroelektronik att dra nytta av denna teknik.

Nanoskala 3D-skrivarteknologier

Kemisten Liaisan Khasanova vid University of Oldenburg är ansvarig för att skapa den specialiserade munstycksänden som krävs för att utskriva på nanoskala. Genom att börja med en vanlig silikaglasrör, sätts en 1 mm tjock kapillär rör in med en blå vätska. När elektricitet appliceras sker en reaktion som resulterar i en hög smäll. Röret tas sedan bort, avslöjande ett hål som är tillräckligt litet för att möta deras krav. “En laserstråle inuti enheten värmer upp röret och drar isär det. Sedan ökar vi plötsligt dragkraften så att glaset bryts i mitten och en mycket skarp spets formas,” förklarar Khasanova, som arbetar på sin doktorsexamen i kemi vid University of Oldenburg, Tyskland.

På universitetets Wechloy-campus har laboratoriet 3 skrivare som är byggda och programmerade i huset för att möta deras exakta krav. Liknande i koncept till dagens konsument 3D-skrivare, men med en liten skillnad – storleken.

Dessa skrivare fokuserar på noggrannhet, med stora granitbaser lager med skum för att hjälpa till att reducera vibrationer som skapas av utskriftsprocessen. Dessa steg hjälper till att exakt kontrollera 3D-skrivaren, vilket resulterar i högre noggrannhet på mindre skalor. Konventionella pulverbaserade metall 3D-skrivare kan bara uppnå mikroskala-upplösningar, en storleks skillnad på 1000 gånger.

Skrivarens miljö är också en faktor, teamet har tagit lamporna i deras laboratorium i beaktande på grund av elektromagnetisk interferens. De använder batteridrivna lampor för att hjälpa till att isolera det elektromagnetiska fältet som genereras av växelströmmar.

En liten titt på metall nanostrukturer

Nano-skala utskrivna plastmolekyler kan lätt manipuleras till strukturer på grund av deras brist på styrka och lägre värmetolerans. Den formbara naturen av plast erbjuder forskare möjligheten att manipulera plasten till mindre former. Denna lätthet har resulterat i de flesta av de senaste framstegen inom utskriftsteknik.

I jämförelse kräver metall nanoskala 3D-utskrifter tätare toleranser och högre motståndskraft mot både värme och slitage. Dessa skrivare kräver nyligen gjorda framsteg från raffinerade utskriftsalgoritmer till återuppfunna skrivartips för att möjliggöra små exakta utskrifter.

För närvarande kan teamet arbeta med koppar, silver, nickel, nickel-mangan och nickel-kobolt-legeringar. Dr. Momotenko och en grupp forskare var framgångsrika i att skapa koppar spiral-kolumner på 25 nanometer eller 195 kopparatomer i storlek som en del av deras studier publicerade i Journal of Nanotechnologies 2021. Genom att använda en metod skapad av Dr. Momotenko och hans kollega Julian Hengsteler, används en återkopplingsmekanism i kombination med extruderingshuvudet för att medla återtagsprocessen som krävs för att förhindra att munstycket stelnar mitt i utskriften. Utskrifterna formas ett lager i taget med hastigheter på några nanometer per sekund.

3D-utskriva nanoskala koppar-kolumner. Foto: Nano Letters.

Tiden är av stor vikt

Utskrift av platta spiral-objekt bidrar till framstegen inom batterilagring och produktion. Det kontrollerar nanostrukturerna på ett sätt som tillåter protoner att passera genom batteriet snabbt och jämnt. Detta resulterar i förbättrade batteriers laddnings- och urladdningshastigheter.

Detta kommer att gynna industrier som är beroende av energilagring, från elbilsbatterier till avlägsna hem eller lagringskraven för dataservrar som aldrig kan stängas av på grund av ett strömavbrott.

Först kommer risken

För att minimera riskerna som är förknippade med produktionen av litium-jonbatterier, används specialiserade slutna kamrar fyllda med en positiv tryck inert argongas. Storleken på kammaren är 10 fot lång och väger nästan 1000 pund.

Hur kommer batteriet att hantera värmen som produceras av dess reaktion när det är fulladdat? “Å ena sidan arbetar vi med kemien som behövs för att producera aktiva elektrodmaterial på nanoskala; å andra sidan försöker vi anpassa utskriftstekniken till dessa material,” säger Dr. Momotenko.

Sedan kommer framstegen

Genom att använda befintliga elektropläteringstekniker kunde de anpassa denna metod (positivt laddade kopparjoner med en negativt laddad elektrod i saltlösningen). Extruderings tipsen som teamet utvecklat har möjliggjort för dem att 3D-utskriva på nanoskala, jämfört med nuvarande pulverbaserade 3D-skrivare som är begränsade till mikron.

Batteriteknik är bara det första användningsfallet, Dr. Momotenko har andra djärva koncept i åtanke. Han planerar att använda denna utskriftsteknik för att kapitalisera på ett yngre fält som kallas spintronik, som syftar till att manipulera “spin” – en kvantmekanisk egenskap hos elektroner.

Han planerar också att tillverka sensorer som kan upptäcka enskilda molekyler. Detta skulle hjälpa till att upptäcka Alzheimers, som är känd för sina bråkdelar av biomarkörer.

Även efter att ha utvecklat denna teknik, förblir teamet i förundran över förmågan att skapa föremål som det mänskliga ögat inte kan se utan hjälp.