การพิมพ์ 3D ขนาดนาโนใกล้ความเป็นจริงแล้ว

การพิมพ์ 3D ขนาดนาโนคือความสามารถในการพิมพ์วัตถุ 3 มิติขนาดนาโนเมตร ซึ่งหมายความว่ามี 1,000,000 นาโนเมตรใน 1 มิลลิเมตร เพื่อให้เข้าใจขนาดหรือการขาดไปของมัน เราควรอ้างอิงขนาดของเส้นผมมนุษย์ ซึ่งมีขนาด 75,000-100,000 นาโนเมตรในเส้นผ่านศูนย์กลาง

การสำรวจการพิมพ์ 3D ขนาดนาโน

ขนาดนาโนเมตรนี้เป็นโฮสต์ของผลิตภัณฑ์ที่มีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่ชิปคอมพิวเตอร์ที่เล็กกว่าและบอร์ดคอมพิวเตอร์ขนาด 1 พีซีถึงส่วนประกอบโลหะขนาดนาโนเมตรที่ช่วยให้การชาร์จและดิสชาร์จแบตเตอรี่เร็วขึ้น

การผสมผสานนี้จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและเพิ่มผลผลิตของส่วนประกอบที่เล็กกว่า

อุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ โรโบติกส์ขนาดนาโน และเทคโนโลยีสื่อสารมีศักยภาพที่จะได้รับประโยชน์จากความสามารถในการสร้างวัตถุในขนาดนาโนเมตรโดยไม่สูญเสียความแม่นยำ ในขณะนี้ มหาวิทยาลัยต่างๆ ทั่วอเมริกากำลังมีการวิจัยวิธีการพิมพ์ในขนาดนาโนเมตรที่มีความแม่นยำตามที่อุตสาหกรรมต่างๆ ต้องการ

หลายสถาบันเหล่านี้มุ่งเน้นไปที่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีไฟฟ้า ในขณะที่บางสถาบันมุ่งเน้นไปที่วิธีการพิมพ์ขนาดนาโนเมตรที่ใช้ปฏิกิริยาเคมีแสง รวมถึงการยึดโปรตีน ไกลแคน หรือยีน

วัสดุและพลาสติกสังเคราะห์ขนาดนาโนเมตรมีประโยชน์จากการพิมพ์ในขนาดนี้มาเป็นเวลานาน แต่เพียง 2-3 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการผสมผสานโลหะขนาดนาโนเมตรได้อย่างแม่นยำ

การพิมพ์โลหะ 3 มิติในขนาดนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างวัตถุแบบอะตอมต่ออะตอม

โซลูชันการพิมพ์ 3D ขนาดนาโน

ดร. Дмитрий Момотенко ผู้นำกลุ่มวิจัยจูเนียร์ที่สถาบันเคมี เชื่อว่าเทคโนโลยีนี้จะช่วยให้ทีมของเขาสามารถพิมพ์แบตเตอรี่ 3 มิติที่สามารถชาร์จและดิสชาร์จได้เร็วขึ้น 1000 เท่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบัน

เป้าหมายคือการลดระยะทางระหว่างไอออนในเซลล์แบตเตอรี่ให้เหลือน้อยที่สุด การพิมพ์ 3D ขนาดนาโนจะช่วยให้ทีมของเขาสามารถสร้างโครงสร้างภายในแบตเตอรี่ได้ใหม่ ซึ่งช่วยให้สามารถผ่านอิเล็กตรอนได้ทั้งเซลล์

ด้วยความสามารถในการพิมพ์โลหะขนาดนาโนเมตรได้อย่างแม่นยำ ทั้งไมโครอิเล็กทรอนิกส์และโรโบติกส์ขนาดนาโนจะได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีนี้

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ขนาดนาโน

นักเคมี Liaisan Khasanova ที่มหาวิทยาลัย Oldenburg ได้รับมอบหมายให้สร้างหัวพิมพ์ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อการพิมพ์ขนาดนาโนเมตร โดยเริ่มต้นจากท่อแก้วซิลิกาแบบปกติ และใช้กระบวนการทางเคมีเพื่อสร้างหัวพิมพ์ที่มีขนาดเล็กพอที่จะตอบสนองความต้องการ

ที่มหาวิทยาลัย Wechloy มีเครื่องพิมพ์ 3 เครื่องที่ถูกสร้างและเขียนโปรแกรมโดยทีมวิจัยเพื่อตอบสนองความต้องการของพวกเขา

เครื่องพิมพ์เหล่านี้มุ่งเน้นไปที่ความแม่นยำ โดยใช้ฐานกรานิตขนาดใหญ่ที่มีฟองน้ำเพื่อช่วยลดการสั่นสะเทือนจากกระบวนการพิมพ์ ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมเครื่องพิมพ์ได้อย่างแม่นยำในขนาดที่เล็กกว่า

สภาพแวดล้อมของเครื่องพิมพ์ cũngถูกพิจารณา โดยทีมวิจัยได้ใช้แสงแบตเตอรี่ในห้องปฏิบัติการเพื่อช่วยลดการรบกวนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

การสำรวจโลหะขนาดนาโน

โมเลกุลพลาสติกขนาดนาโนสามารถถูกบิดเบือนได้ง่ายเนื่องจากขาดความแข็งแรงและทนความร้อนได้น้อย การบิดเบือนพลาสติกช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างรูปทรงที่เล็กกว่าได้

ในทางตรงกันข้าม การพิมพ์โลหะขนาดนาโนเมตรต้องการความแม่นยำและความทนทานสูงกว่า ซึ่งจำเป็นต้องมีการพัฒนาอัลกอริทึมและเครื่องพิมพ์ที่มีความแม่นยำสูง

ปัจจุบันทีมสามารถทำงานกับโลหะต่างๆ เช่น ทองแดง เงิน นิกเกิล นิกเกิล-แมงกานีส และนิกเกิล-โคบอลต์ ดร. Момотенко และทีมวิจัยได้สร้างคอลัมน์螺旋ทองแดงขนาด 25 นาโนเมตร หรือ 195 อะตอมทองแดง ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2021

การพิมพ์ 3D ขนาดนาโน คอลัมน์ทองแดง. ภาพโดย Nano Letters.

เวลาเป็นสิ่งสำคัญ

การพิมพ์วัตถุแบบแบนๆ ช่วยให้สามารถพัฒนาการเก็บแบตเตอรี่และผลิตแบตเตอรี่ได้ดีขึ้น โดยการควบคุมโครงสร้างนาโนเมตรให้สามารถผ่านโปรตอนได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ

สิ่งนี้จะช่วยให้อุตสาหกรรมที่ต้องการการเก็บแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า บ้านออฟกริด และเซิร์ฟเวอร์ข้อมูลที่ต้องการการเก็บแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพ

ความเสี่ยงมาเป็นอันดับแรก

เพื่อลดความเสี่ยงในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน ทีมวิจัยได้ใช้ห้องที่มีบรรยากาศอินเทอร์ตกับก๊าซอาร์กอน โดยห้องมีขนาด 10 ฟุต และมีน้ำหนักเกือบ 1000 ปอนด์

_bagaimana แบตเตอรี่จะจัดการความร้อนจากการชาร์จและดิสชาร์จเมื่อถึงความจุเต็ม? “ในทางหนึ่ง เรากำลังทำงานเกี่ยวกับเคมีที่จำเป็นในการผลิตวัสดุอิเล็กโทรดที่มีประสิทธิภาพในระดับนาโนเมตร ในทางกลับกัน เรากำลังพยายามปรับเปลี่ยนเทคโนโลยีการพิมพ์ให้เหมาะสมกับวัสดุเหล่านี้” ดร. Момотенко กล่าว

จากนั้นจึงเป็นความก้าวหน้า

โดยอาศัยเทคโนโลยีการเคลือบไฟฟ้าที่มีอยู่แล้ว ทีมวิจัยสามารถปรับเปลี่ยนวิธีการนี้ (ไอออนทองแดงบวกกับอิเล็กโทรดลบในสารละลายเกลือ) หัวพิมพ์ที่ทีมพัฒนาขึ้นช่วยให้สามารถพิมพ์ 3D ในระดับนาโนเมตรได้ เมื่อเทียบกับเครื่องพิมพ์ 3D ที่ใช้แป้งซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ามาก

เทคโนโลยีแบตเตอรี่เป็นเพียงกรณีการใช้งานแรกเท่านั้น ดร. Момотенко มีแนวคิดที่กล้าได้กล้าเสียอื่นๆ ในใจ เช่น การใช้เทคโนโลยีการพิมพ์นี้เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจจับโมเลกุลเดี่ยวๆ

สิ่งนี้จะช่วยให้สามารถตรวจจับโรคอัลไซเมอร์ได้ ซึ่งเป็นโรคที่มีปริมาณไบโอมาร์คเกอร์ที่น้อยมาก

แม้หลังจากพัฒนเทคโนโลยีนี้แล้ว ทีมวิจัยยังคงรู้สึกตื่นตาตื่นใจกับความสามารถในการสร้างวัตถุที่มีขนาดเล็กเกินกว่าที่ตาเปล่าสามารถมองเห็นได้