การพิมพ์ 3D ขนาดนาโนใกล้ความเป็นจริงแล้ว

การพิมพ์ 3D ระดับนาโนคือการพิมพ์วัตถุสามมิติที่วัดขนาดเป็นนาโนเมตร หนึ่งมิลลิเมตรเท่ากับ 1,000,000 นาโนเมตร เพื่อให้เห็นภาพว่าเล็กเพียงใด เส้นผมมนุษย์มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 75,000–100,000 นาโนเมตร

สำรวจการพิมพ์ 3D ระดับนาโน

ขนาดจิ๋วนี้เปิดทางให้ผลิตภัณฑ์ที่อาจพลิกโฉมหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่ชิปคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กลงและแผงวงจรคอมพิวเตอร์ที่พิมพ์เป็นชิ้นเดียว ไปจนถึงชิ้นส่วนโลหะระดับนาโนที่อาจช่วยให้แบตเตอรี่ชาร์จและคายประจุได้เร็วขึ้น

ความก้าวหน้านี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและผลิตภาพในการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก

อุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ หุ่นยนต์ระดับนาโน และเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ล้วนมีโอกาสได้รับประโยชน์จากการสร้างวัตถุระดับนาโนโดยยังคงความแม่นยำ มหาวิทยาลัยต่าง ๆ ทั่วสหรัฐอเมริกากำลังศึกษาวิธีพิมพ์ในระดับนี้ให้ได้ความแม่นยำตามที่แต่ละอุตสาหกรรมต้องการ

บางสถาบันมุ่งพัฒนาเทคโนโลยีไฟฟ้า ส่วนบางแห่งศึกษาวิธีพิมพ์ระดับนาโนด้วยปฏิกิริยาเคมีแสง รวมถึงการตรึงโปรตีน ไกลแคน หรือยีนให้อยู่กับที่

วัสดุสังเคราะห์และพลาสติกได้รับประโยชน์จากการพิมพ์ระดับนาโนมานานแล้ว แต่การพิมพ์วัตถุโลหะขนาดนี้อย่างแม่นยำเพิ่งมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในช่วง 2–3 ปีก่อนบทความต้นฉบับเผยแพร่

การพิมพ์โลหะสามมิติในระดับนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ประกอบวัตถุได้ทีละอะตอม

แนวทางการพิมพ์ 3D ระดับนาโน

ดร. ดมิทรี โมโมเทนโก หัวหน้ากลุ่มวิจัยรุ่นใหม่ที่สถาบันเคมี เชื่อว่าเทคโนโลยีนี้จะช่วยให้ทีมของเขาพิมพ์แบตเตอรี่สามมิติที่ชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่าคู่แข่งในขณะนั้นมากกว่า 1,000 เท่า เขากล่าวว่า “หากทำได้ในวันนี้ รถยนต์ไฟฟ้าก็จะชาร์จได้ภายในไม่กี่วินาที”

เป้าหมายคือทำให้เส้นทางการเคลื่อนที่ของไอออนภายในเซลล์แบตเตอรี่สั้นลงอย่างมาก การพิมพ์ 3D ระดับนาโนเปิดโอกาสให้ทีมกลับมาศึกษาแนวคิดที่มีอายุ 20 ปี โดยหวังจะพิมพ์โครงสร้างภายในแบตเตอรี่ให้สิ่งที่ต้นฉบับเรียกว่า “อิเล็กตรอน” เคลื่อนผ่านทั้งเซลล์พร้อมกัน แทนที่จะต้องเดินทางจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง

ต้นฉบับระบุว่าความสามารถในการพิมพ์โครงสร้างโลหะอย่างแม่นยำจนถึงขนาด 25 ไมครอนจะเป็นประโยชน์ต่อทั้งหุ่นยนต์ระดับนาโน ซึ่งต้นฉบับยกตัวอย่างไมโครชิป และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ หมายเหตุเกี่ยวกับต้นฉบับ: ย่อหน้านี้ใช้หน่วยไมครอน แต่ผลการทดลองด้านล่างใช้ 25 นาโนเมตร หน่วยทั้งสองต่างกัน 1,000 เท่า นอกจากนี้ต้นฉบับใช้คำว่าไอออน อิเล็กตรอน และโปรตอนต่างกันในคำอธิบายแบตเตอรี่ จึงควรแยกถ้อยคำของต้นฉบับออกจากข้อสรุปทางเทคนิคที่ยืนยันแล้ว

เทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ 3D ระดับนาโน

นักเคมี Liaisan Khasanova แห่งมหาวิทยาลัยโอลเดินบวร์ก รับหน้าที่สร้างปลายหัวฉีดเฉพาะสำหรับการพิมพ์ระดับนาโน โดยเริ่มจากหลอดแก้วซิลิกาทั่วไป ซึ่งเป็นหลอดแคพิลารีหนา 1 มิลลิเมตรที่ใส่ของเหลวสีน้ำเงิน เมื่อจ่ายไฟฟ้า ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทำให้มีเสียงดัง จากนั้นนำหลอดออกมาและได้รูที่เล็กพอตามต้องการ เธออธิบายว่า “ลำแสงเลเซอร์ภายในอุปกรณ์ทำให้หลอดร้อนและดึงให้ยืดออก จากนั้นเราเพิ่มแรงดึงอย่างฉับพลันเพื่อให้แก้วแตกตรงกลางและเกิดปลายที่แหลมมาก” Khasanova กำลังศึกษาปริญญาเอกด้านเคมีในกลุ่มนาโนเทคโนโลยีเคมีไฟฟ้าของมหาวิทยาลัยโอลเดินบวร์ก ประเทศเยอรมนี

ห้องปฏิบัติการที่วิทยาเขตเวชลอยของมหาวิทยาลัยมีเครื่องพิมพ์ 3 เครื่องที่ทีมสร้างและเขียนโปรแกรมเองให้ได้มาตรฐานที่ต้องการ หลักการคล้ายเครื่องพิมพ์ 3D สำหรับผู้บริโภค แต่ต่างกันที่ขนาด

เครื่องพิมพ์เน้นความแม่นยำ โดยใช้ฐานหินแกรนิตขนาดใหญ่รองด้วยโฟมเพื่อลดแรงสั่นสะเทือนจากการพิมพ์ ทำให้ควบคุมเครื่องได้แม่นยำยิ่งขึ้นในขนาดเล็ก ต้นฉบับเปรียบเทียบว่าเครื่องพิมพ์โลหะแบบผงทั่วไปมีความละเอียดเพียงระดับไมครอน ซึ่งต่างจากระดับนาโน 1,000 เท่า

ทีมยังคำนึงถึงสภาพแวดล้อมรอบเครื่อง โดยใช้ไฟส่องสว่างที่ใช้แบตเตอรี่ในห้องปฏิบัติการ เพื่อลดการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากกระแสสลับ

มองโครงสร้างโลหะระดับนาโน

โมเลกุลพลาสติกที่พิมพ์ในระดับนาโนจัดให้เป็นรูปทรงต่าง ๆ ได้ค่อนข้างง่าย เนื่องจากมีความแข็งแรงและความทนความร้อนต่ำกว่า ความอ่อนตัวของพลาสติกช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ขึ้นรูปให้เล็กลงได้ ความสะดวกนี้เป็นที่มาของความก้าวหน้าด้านการพิมพ์จำนวนมากในช่วงก่อนหน้านั้น

ในทางตรงกันข้าม การพิมพ์โลหะ 3D ระดับนาโนต้องควบคุมค่าคลาดเคลื่อนให้แคบกว่า และต้องทนทั้งความร้อนและการสึกหรอสูงกว่า การพิมพ์ขนาดเล็กอย่างแม่นยำจึงอาศัยความก้าวหน้าตั้งแต่การปรับอัลกอริทึมการพิมพ์ไปจนถึงการออกแบบปลายหัวพิมพ์ขึ้นใหม่

ในขณะนั้น ทีมสามารถใช้ทองแดง เงิน นิกเกิล โลหะผสมนิกเกิล–แมงกานีส และนิกเกิล–โคบอลต์ ดร. โมโมเทนโกและคณะสร้างเสาทองแดงรูปเกลียวขนาด 25 นาโนเมตร หรือประมาณความกว้างของอะตอมทองแดง 195 อะตอม ในงานศึกษาที่เผยแพร่ในปี 2021 ซึ่งต้นฉบับเรียกชื่อวารสารว่า Journal of Nanotechnologies ขณะที่เครดิตภาพด้านล่างระบุ Nano Letters วิธีที่ดร. โมโมเทนโกพัฒนาร่วมกับ Julian Hengsteler ใช้กลไกป้อนกลับร่วมกับหัวอัดฉีด เพื่อควบคุมการดึงหัวกลับและป้องกันไม่ให้วัสดุแข็งตัวอุดหัวฉีดระหว่างพิมพ์ ชิ้นงานก่อตัวทีละชั้นด้วยความเร็วไม่กี่นาโนเมตรต่อวินาที

เสาทองแดงที่พิมพ์สามมิติในระดับนาโน เครดิตภาพ: Nano Letters

เวลาเป็นปัจจัยสำคัญ

การพิมพ์วัตถุรูปเกลียวแบนเหมาะกับการพัฒนาการกักเก็บพลังงานและการผลิตแบตเตอรี่ โดยควบคุมโครงสร้างนาโนให้สิ่งที่ต้นฉบับเรียกว่า “โปรตอน” เคลื่อนผ่านแบตเตอรี่ได้รวดเร็วและสม่ำเสมอ จึงช่วยเพิ่มอัตราการชาร์จและคายประจุ ตามคำอธิบายในต้นฉบับ

ประโยชน์นี้ครอบคลุมอุตสาหกรรมที่พึ่งพาการกักเก็บพลังงาน ตั้งแต่แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า บ้านที่ไม่เชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า ไปจนถึงระบบกักเก็บพลังงานสำหรับศูนย์เซิร์ฟเวอร์ข้อมูลที่ไม่อาจหยุดให้บริการเมื่อโครงข่ายไฟฟ้าขัดข้อง

เริ่มจากจัดการความเสี่ยง

เพื่อลดความเสี่ยงจากการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ทีมใช้ห้องปิดผนึกเฉพาะที่เติมก๊าซอาร์กอนเฉื่อยด้วยความดันบวก ห้องนี้รองรับเครื่องพิมพ์ในสภาพแวดล้อมเฉื่อย มีความยาว 10 ฟุตและหนักเกือบ 1,000 ปอนด์

แบตเตอรี่จะจัดการความร้อนจากปฏิกิริยาอย่างไรเมื่อชาร์จจนเต็ม? ดร. โมโมเทนโกกล่าวว่า “ด้านหนึ่ง เรากำลังศึกษาเคมีที่จำเป็นต่อการผลิตวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดในระดับนาโน อีกด้านหนึ่ง เรากำลังพยายามปรับเทคโนโลยีการพิมพ์ให้เหมาะกับวัสดุเหล่านี้”

จากนั้นจึงก้าวต่อไป

ทีมปรับใช้เทคโนโลยีการชุบด้วยไฟฟ้าที่มีอยู่แล้ว ซึ่งใช้ไอออนทองแดงประจุบวกร่วมกับอิเล็กโทรดประจุลบในสารละลายเกลือ ปลายหัวอัดฉีดที่พัฒนาขึ้นช่วยให้พิมพ์สามมิติในระดับนาโนได้ เมื่อเทียบกับเครื่องพิมพ์แบบผงในขณะนั้นที่จำกัดอยู่ในระดับไมครอน

เทคโนโลยีแบตเตอรี่เป็นเพียงการใช้งานแรก ดร. โมโมเทนโกยังวางแผนใช้เทคโนโลยีการพิมพ์นี้กับสาขาสปินทรอนิกส์ ซึ่งมุ่งควบคุม “สปิน” อันเป็นสมบัติทางกลศาสตร์ควอนตัมของอิเล็กตรอน

เขายังวางแผนผลิตเซ็นเซอร์ที่ตรวจจับโมเลกุลแต่ละโมเลกุลได้ เพื่อช่วยตรวจหาโรคอัลไซเมอร์ซึ่งมีตัวบ่งชี้ทางชีวภาพในปริมาณน้อยมาก

แม้จะพัฒนาเทคโนโลยีนี้ขึ้นมาแล้ว ทีมยังคงทึ่งกับความสามารถในการสร้างวัตถุที่เล็กเกินกว่ามนุษย์จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า