Nano Ölçekli 3D Baskı Gerçeğe Yaklaşıyor

Nano ölçekli 3D baskı, nanometre cinsinden ölçülen nesneleri 3D olarak yazdırma yeteneğidir. Örnek olarak 1,000,000 milimetrede 1 nanometre vardır. Büyüklüğünü veya eksikliğini daha iyi anlamak için, çapı 75,000-100,000 nanometre olan bir insan saçının boyutunu referans almalıyız.

Nano ölçekli 3D baskıyı keşfetme

Bu mikroskobik ölçekli ana bilgisayar, daha küçük bilgisayar yongaları ve 1 adet baskılı bilgisayar kartlarından piller için daha hızlı şarj/boşaltma yeteneklerine yol açan nano ölçekli metal parçalara kadar bir dizi potansiyel endüstri bozucu ürün içerir.

Bu atılım, hem verimliliği artıracak hem de daha küçük parçaların üretkenliğini artıracaktır.

Mikroelektronik, nanorobotik ve sensör teknolojileri gibi endüstriler, doğruluktan ödün vermeden böyle bir nano ölçekte yaratma yeteneğinden yararlanacak. Şu anda üniversiteler Amerika genelinde, kendi endüstrilerinin gerektirdiği doğruluğu korurken nano ölçekte yazdırmanın farklı yollarını araştırıyorlar.

Bu enstitülerin birçoğu elektrik teknolojilerindeki gelişmelere odaklanırken, diğerleri gözlerini proteinlerin, glikanların veya genlerin immobilizasyonu da dahil olmak üzere fotokimyasal reaksiyonları kullanan nano-baskı yöntemlerine dikmiş durumda. 

Nano ölçekli baskılı sentetik malzemeler ve plastikler, bu ölçekte baskı yapma yeteneğinden uzun süredir yararlanmaktadır, bilim adamlarının metal nesneleri bu boyuta doğru bir şekilde basma konusunda ancak son 2-3 yılda çığır açmıştır.

Bu ölçekteki 3D baskı metali, bilim adamlarının bir nesneyi atom atom bir araya getirmesini sağlar. 

Nano ölçekli 3D baskı çözümleri 

Dr.Dmitry Momotenkogenç araştırma grubuna liderlik eden Kimya Enstitüsü, bu teknolojinin, ekibinin mevcut rakip teknolojilerden 3 kat daha hızlı şarj ve deşarj olabilen pilleri 1000D olarak basmasına olanak sağlayacağına inanıyor. Yaptığı açıklamalardan bazıları şöyle: “Bu bugün başarılabilirse EV'ler saniyeler içinde şarj edilebilir”.

Amaç, pil hücresindeki iyonlar arasındaki yolları katlanarak kısaltmaktır. Nano ölçekli 3D baskı, ekibinin bu 20 yıllık fikri, pillerin iç yapılarını, elektronların bir kerede tüm hücreden geçmesine izin verecek şekilde 3 boyutlu olarak yazdırabilme umuduyla yeniden gözden geçirmesine izin verecek. hücrenin yanından diğerine.

25 mikrona kadar metal yapıları doğru bir şekilde basabilme özelliği ile hem nanorobotikler (nano ölçekli mikroçipler) ve mikroelektronik, bu teknolojiden eşit derecede faydalanmaktadır.

Nano ölçekli 3D yazıcı teknolojileri 

Kimyager Liaisan Khasanova şirketinde Oldenburg Üniversitesi nano ölçekte yazdırmak için gereken özel nozül ucunu oluşturmakla görevlidir. Sıradan bir silika cam tüp ile başlayarak, mavi bir sıvı ile 1 mm kalınlığında bir kılcal tüp sokulur. Elektrik uygulandığında, yüksek bir patlama ile sonuçlanan bir reaksiyon gerçekleşir. Tüp daha sonra gereksinimlerini karşılayacak kadar küçük bir delik ortaya çıkarılarak çıkarılır. "Cihazın içindeki bir lazer ışını tüpü ısıtıyor ve onu ayırıyor. Sonra çekme kuvvetini aniden arttırıyoruz ki cam ortadan kırılsın ve çok keskin bir uç oluşsun.” doktorası üzerinde çalışan Khasanova'yı açıklıyor. Elektrokimyasal Nanoteknoloji Grubu'nda kimyada Oldenburg Üniversitesi, Almanya.

üniversitede Wechloy Kampüsteki laboratuvar, kendi titiz standartlarına göre şirket içinde oluşturulmuş ve programlanmış 3 yazıcıya sahiptir. Konsept olarak günümüzün tüketici 3D yazıcılarına benzer, ancak küçük bir farkla - boyut.

Bu yazıcılar, baskı işleminin yarattığı titreşimlerin azaltılmasına yardımcı olmak için köpükle kaplanmış büyük granit tabanlar kullanarak doğruluğa odaklanır. Bu adımlar, 3B yazıcının tam olarak kontrol edilmesine yardımcı olarak daha küçük ölçeklerde daha yüksek doğruluk sağlar. Geleneksel toz bazlı metal 3B yazıcılar, yalnızca 1000x'lik bir boyut farkı olan mikron düzeyinde çözünürlükler sağlayabilir.  

Yazıcının ortamı da hesaba katılır, ekip elektromanyetik girişim nedeniyle laboratuvarlarındaki ışıkları dikkate almıştır. Alternatif akımların ürettiği elektromanyetik alanı izole etmeye yardımcı olmak için pille çalışan ışıklar kullanırlar.

Metal nanoyapılara küçük bir bakış

Nano ölçekli baskılı plastik moleküller, dayanıklılıkları ve düşük ısı toleransları göz önüne alındığında, yapısal şekillere kolayca manipüle edilir. Plastiğin dövülebilir doğası, bilim insanlarına plastiği daha küçük şekiller halinde manipüle etme yeteneği sunar. Bu kullanım kolaylığı, baskı teknolojisindeki son gelişmelerin çoğuyla sonuçlanmıştır.

Karşılaştırıldığında, metal nano ölçekli 3D baskı, daha sıkı toleranslar ve hem ısıya hem de aşınmaya karşı daha yüksek direnç gerektirir. Bu yazıcılar, hassas küçük baskılar sağlamak için rafine yazdırma algoritmalarından yeniden keşfedilen yazıcı ipuçlarına kadar son gelişmeler gerektiriyordu. 

Ekip şu anda bakır, gümüş, nikel, nikel-mangan ve nick-kobalt alaşımları ile çalışabiliyor. Momotenko ve araştırma ekibi, ABD'de yayınlanan çalışmaları kapsamında 25 nanometre veya 195 bakır atomu büyüklüğünde bakır spiral kolonlar oluşturmayı başardı. 2021'de Nanoteknolojiler Dergisi. Dr. Momotenko ve meslektaşı Julian Hengsteler tarafından oluşturulan bir yöntem kullanılarak, püskürtme ucunun baskının ortasında katılaşmasını önlemek için gereken geri çekme işlemine aracılık etmek için ekstrüzyon kafasıyla birlikte bir geri bildirim mekanizması kullanılır. Baskılar, saniyede birkaç nanometrelik hızlarda her seferinde bir katman şeklinde şekillenir. 

3D baskı nano ölçekli bakır sütunlar. Fotoğraf Kredisi Nano Letters.

Zaman çok önemlidir

Düz spiral nesnelerin yazdırılması, pil depolama ve üretimdeki gelişmelere iyi katkıda bulunur. Nanoyapıları, protonların pilden hızlı ve eşit bir şekilde geçmesine izin verecek şekilde kontrol eder. Bu, geliştirilmiş pil şarj oranları ve deşarj oranları ile sonuçlanır.

Bu, EV pillerinden şebeke dışı evlere kadar enerji depolamaya bağımlı sektörlere veya bir elektrik şebekesi arızası nedeniyle asla çevrimdışı olamayacak olan veri sunucusu çiftliklerinin depolama gereksinimlerine fayda sağlayacaktır.

Önce risk gelir

Lityum-iyon pillerin üretimiyle ilgili riskleri azaltmak için, özel sızdırmaz hazneler pozitif basınçlı inert argon gazıyla doldurulur. Yazıcıyı atıl bir ortamda barındıracak şekilde boyutlandırılmış olan hazne, 10 fit uzunluğunda ve yaklaşık 1000 libre ağırlığındadır.

Pil, tam kapasiteyle şarj edildiğinde reaksiyonuyla üretilen ısıyı nasıl yönetecek? "Bir yandan, nano ölçekte aktif elektrot malzemeleri üretmek için gereken kimya üzerinde çalışıyoruz; bir yandan da baskı teknolojisini bu malzemelere uyarlamaya çalışıyoruz” dedi. diyor Dr. Momotenko.

Sonra ilerleme gelir

Mevcut galvanik kaplama teknolojilerine dayanarak bu yöntemi (tuz çözeltisi içinde negatif yüklü bir elektrot ile pozitif yüklü bakır iyonları) adapte edebildiler. bu ekstrüzyon İpucu Geliştirilen ekip, mikronlarla sınırlı olan mevcut toz bazlı 3B yazıcılara kıyasla nano ölçekte 3B baskı yapmalarına izin verdi.

Pil teknolojisi yalnızca ilk kullanım durumudur, Dr. Momotenko'nun aklında başka cesur kavramlar var. Bu baskı teknolojisini, elektronların kuantum mekaniksel bir özelliği olan "döndürmeyi" manipüle etme yeteneğini hedefleyen spintronik adı verilen daha genç bir alandan yararlanmak için kullanmayı planlıyor.

Ayrıca tek tek molekülleri tespit edebilen sensörler üretmeyi planlıyor. Bu, kesirli miktarlarda biyobelirteçleriyle ünlü Alzheimer'ın saptanmasına yardımcı olacaktır. 

Ekip, bu teknolojiyi geliştirdikten sonra bile, insan gözünün yardım almadan göremediği nesneleri yaratma becerisine hayranlık duymaya devam ediyor.