Nanoscale 3D Yazıcıların Gerçekleşmesi Yakın

Nanoscale 3D yazıcılar, nanometre boyutlarında nesneleri 3D yazdırma yeteneğidir. Örneğin, 1 milimetrede 1.000.000 nanometre vardır. Boyutu veya yokluğunu daha iyi anlamak için, bir insan saçının çapına başvurmalıyız, bu da 75.000-100.000 nanometre arasında değişmektedir.

Nano-ölçekli 3D yazıcıları keşfetme

Bu mikroskobik ölçek, daha küçük bilgisayar çiplerinden ve 1 parça basılı bilgisayar kartlarına kadar nanoscale metal parçalarına ve pil şarj ve deşarj yeteneklerini hızlandıran ürünler gibi bir dizi endüstriyi değiştirebilecek potansiyel ürünler sunar.

Bu atılım, daha küçük parçaların verimliliğini artırırken üretkenliğini de artıracaktır.

Mikroelektronik, nanorobotik ve sensör teknolojileri gibi endüstriler, doğruluklarını tehlikeye atmadan bu kadar küçük ölçekte üretme yeteneğinden yararlanabilir. Şu anda Amerika’daki üniversiteler nano-ölçekte yazdırma yollarını araştırırken, ilgili endüstriler için gereken doğruluğu korumaya çalışıyorlar.

Bu enstitülerden bazıları elektrik teknolojilerindeki ilerlemelere odaklanırken, diğerleri fotokimyasal reaksiyonları kullanarak nano-yazdırma yöntemlerine yöneliyorlar. Bu yöntemler, proteinlerin, glikanların veya genlerin immobilizasyonunu içerir. 

Nanoscale yazdırılan sentetik malzemeler ve plastikler, bu ölçekte yazdırma yeteneğinden uzun süredir yararlanmaktadır. Ancak, son 2-3 yılda bilim adamları, metal nesneleri bu boyuta doğru bir şekilde yazdırma alanında ilerleme kaydettiler.

Bu ölçekte metal 3D yazdırmak, bilim adamlarına atomdan atoma nesneler oluşturma yeteneği sağlar. 

Nanoscale 3D yazıcı çözümleri 

Dr. Dmitry Momotenko, Kimya Enstitüsü’nün junior araştırma grubunun lideri, bu teknolojinin, ekibinin, mevcut teknolojilerden 1000 kat daha hızlı şarj ve deşarj oranlarına sahip piller yazdırmasına olanak sağlayacağını düşünüyor. Bazı açıklamaları arasında şunlar yer alıyor: “Eğer bunu bugün başarmış olsaydık, EV’ler saniyeler içinde şarj edilebilirdi”.

Hedef, pil hücrelerindeki iyonlar arasındaki yolları üssüz bir şekilde kısaltmaktır. Nanoscale 3D yazıcı, ekibin, 20 yıllık bir fikir olan pil iç yapılarını, elektronların tüm hücre boyunca aynı anda geçmesini sağlayan bir şekilde 3D yazdırma yeteneğini yeniden değerlendirmesine olanak tanıyacaktır.

Nanoscale 3D yazıcı teknolojileri, nanorobotik (nanoscale mikroçipler) ve mikroelektronik için de eşit derecede faydalı olacaktır.

Nanoscale 3D yazıcı teknolojileri 

Kimyager Liaisan Khasanova, Oldenburg Üniversitesi’nde, nano-ölçekte yazdırma için gereken özel musluk ucunu oluşturmakla görevlendirildi. Sıradan bir silika cam tüpünden başlayan Khasanova, 1 mm kalınlığında bir kapiler tüpü mavi bir sıvıyla birlikte yerleştirir. Elektrik uygulandığında, bir tepkime meydana gelir ve yüksek bir ses çıkar. Tüp çıkarıldığında, gereksinimlerini karşılayacak kadar küçük bir delik ortaya çıkar. “Lazer ışını, cihaz içindeki tüpü ısıtır ve tüpü ayırır. Sonra, tüpün ortasında kırılması için gerilimi aniden artırırız ve çok keskin bir uç oluşur,” diye açıklıyor Khasanova, Oldenburg Üniversitesi’nde kimya alanında doktora yapan bir araştırmacı.

Üniversitenin Wechloy kampüsündeki laboratuvarda, üç adet 3D yazıcı, kendi spesifikasyonlarına göre evde inşa edilmiş ve programlanmıştır. Bugünün tüketici 3D yazıcılarına benzer bir kavramda, ancak bir farkla – boyut.

Bu yazıcılar, büyük granit tabanlara ve titreşimlerin azaltılmasına yardımcı olmak için köpük tabakaları kullanır. Bu adımlar, 3D yazıcıyı daha küçük ölçeklerde daha yüksek doğrulukla kontrol etmeyi sağlar. Geleneksel toz tabanlı metal 3D yazıcılar, yalnızca mikron düzeyinde çözünürlüğe sahiptir, bu da 1000 katlık bir boyut farkıdır.  

Yazıcının ortamı da dikkate alınmıştır, ekip, laboratuvarındaki ışıkları, alternatif akımlar tarafından üretilen manyetik alan nedeniyle dikkate almıştır. Manyetik alanı izole etmeye yardımcı olmak için pil ile çalışan ışıklar kullanırlar.

Metal nano-yapılarına küçük bir bakış

Nano-ölçekli yazdırılan plastik moleküller, yapısal şekillerde kolayca manipüle edilebilir, çünkü zayıf ve daha düşük ısı toleransına sahiptirler. Plastiğin esnek doğası, bilim adamlarına, plastiği daha küçük şekillere dönüştürme yeteneği sağlar. Bu kullanım kolaylığı, yakın zamanda yazıcı teknolojilerindeki çoğu ilerlemeye yol açmıştır.

Karşılaştırıldığında, metal nano-ölçekli 3D yazıcı, daha sıkı toleranslar ve ısıya ve aşınmaya karşı daha yüksek direnç gerektirir. Bu yazıcılar, küçük ve doğru yazdırma yeteneği sağlamak için geliştirilmiş yazdırma algoritmalarından yeniden tasarlanmış yazıcı uçlarına kadar çeşitli ilerlemeler gerektirir. 

Şu anda, ekip bakır, gümüş, nikel, nikel-mangan ve nikel-kobalt alaşımları ile çalışabilmektedir. Dr. Momotenko ve bir grup araştırmacı, 2021 yılında Journal of Nanotechnologies’de yayımladıkları bir çalışmada, 25 nanometre veya 195 bakır atomu büyüklüğünde bakır spiral sütunlar oluşturmayı başardılar. Dr. Momotenko ve çalışma arkadaşı Julian Hengsteler tarafından geliştirilen bir yöntem, ekstrüzyon başlığının geri çekilmesini önlemek için necessary bir geri besleme mekanizması kullanır. Yazdırma, saniyede birkaç nanometre hızında, katman katman gerçekleşir. 

Nano-ölçekli bakır sütunlar 3D yazdırma. Fotoğraf kredisi: Nano Letters.

Zaman çok önemlidir

Düz spiral nesneleri yazdırma, pil depolama ve üretimi alanındaki ilerlemelere yol açar. Nano-yapıları, protonların pilin içinden hızlı ve eşit bir şekilde geçmesini sağlayan bir şekilde kontrol eder. Bu, gelişmiş pil şarj ve deşarj oranlarına yol açar.

Bu, enerji depolamaya bağımlı endüstrilerden, EV pillerinden, şebekeden bağımsız evlere veya güç şebekesi arızası nedeniyle hiçbir zaman çevrimdışı olamayan veri sunucu çiftliklerinin depolama gereksinimlerine kadar birçok endüstriyi faydalandıracaktır.

Önce risk gelir

Lityum-iyon pillerinin üretimine ilişkin riskleri azaltmak için, özel olarak tasarlanmış kapalı odalar, pozitif basınçlı inert argon gazı ile doldurulur. Yazıcıyı inert bir ortamda barındırmak için tasarlanan oda, 10 feet uzunluğunda ve yaklaşık 1000 pound ağırlığındadır.

Pil, tam kapasiteye şarj edildiğinde, reaksiyonundan oluşan ısıyı nasıl yönetecek? “Bir yandan, aktif elektrot malzemelerini nano-ölçekte üretmek için gereken kimyasallar üzerinde çalışıyoruz, diğer yandan da bu malzemelere uygun yazıcı teknolojisini uyarlıyoruz,” diyor Dr. Momotenko.

Sonra ilerleme gelir

Mevcut elektrokaplama teknolojilerini kullanarak, bu yöntemi (pozitif yüklü bakır iyonları ve tuz çözeltisi içindeki negatif yüklü elektrot) uyarlayabildiler. Ekip tarafından geliştirilen ekstrüzyon ucu, nano-ölçekte 3D yazdırma yeteneğini sağlamıştır. Mevcut toz tabanlı 3D yazıcılar, mikron düzeyinde sınırlıdır.

Pil teknolojisi, yalnızca ilk kullanım durumudur. Dr. Momotenko, spintronik olarak bilinen daha genç bir alana odaklanarak, “spin” – elektronların kuantum mekanik bir özelliği – gibi bir özelliğin manipülasyonuna odaklanmak istemektedir.

Alzheimer hastalığının, notorious olarak bilinen çok az miktarda biyobelirteçleri tespit etmede yardımcı olabilecek, bireysel molekülleri tespit edebilen sensörler üretme planları da vardır. 

Bu teknolojiyi geliştirdikten sonra, ekip, insan gözünün yardım olmadan göremeyeceği nesneler oluşturma yeteneğinden hâlâ etkileniyor.