Nanoscale 3D Yazıcılar Gerçekliğe Yaklaşıyor

Nanoscale 3D yazıcılar, nanometre cinsinden ölçülen nesneleri 3D yazdırma yeteneğidir. Bir örnek olarak, 1 milimetrede 1.000.000 nanometre vardır. Boyutu veya eksikliğini daha iyi anlamak için, bir insan saçı’nın çapının 75.000-100.000 nanometre arasında olduğunu réféans olarak kullanmalıyız.

Nano-ölçek 3D yazıcıları keşfetme

Bu mikroskobik ölçek, daha küçük bilgisayar çipleri ve 1 pc yazdırılan bilgisayar kartlarından nanoscale metal parçalara kadar bir dizi potansiyel endüstri-bozucu ürünlerin ev sahipliği yapmaktadır. Bu, pil şarj ve deşarj yetenekleri için daha hızlı şarj ve deşarj olanakları sağlar.

Bu độtur, hem verimliliği artırır hem de daha küçük parçaların üretkenliğini artırır.

Mikroelektronik, nanorobotik ve sensör teknolojileri gibi endüstriler, doğruluğu bozmadan nanoscale’de yaratma yeteneğinden yararlanabilir. Şu anda Amerika’daki üniversiteler nanoscale’de yazdırmanın farklı yollarını araştırıyorlar ve ilgili endüstrilerin gerektirdiği doğruluğu koruyorlar.

Bu enstitülerden bazıları elektrik teknolojilerindeki ilerlemelere odaklanırken, diğerleri foto-kimyasal reaksiyonları kullanarak nano-yazıcı yöntemlerine odaklanıyor, bunlar arasında proteinlerin, glikanların veya genlerin immobilizasyonu yer alıyor. 

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

Bu ölçekte metal 3D yazdırma, bilim adamlarına bir nesneyi atomdan atoma monte etme olanağı sağlar. 

Nanoscale 3D yazıcı çözümleri 

Dr. Dmitry Momotenko, Kimya Enstitüsü’nde junior araştırma grubunun lideri, bu teknolojinin ekibine, mevcut rakip teknolojilerden 1000 kat daha hızlı şarj ve deşarj oranlarına sahip piller yazdırma olanağı sağlayacağını düşünüyor. Bazı açıklamaları arasında şunlar yer alıyor: “Eğer bugün bunu başarmak mümkün olursa, EV’ler saniyeler içinde şarj edilebilir”.

Hedef, iyonların pil hücresindeki yollarını üssüz bir şekilde kısaltmaktır. Nanoscale 3D yazıcı, bu 20 yıllık fikri yeniden ziyaret etmelerini ve pillerin iç yapılarını, elektronların tüm hücreyi bir defada geçebileceği şekilde 3D yazdırma olanağı sağlamayı umuyorlar.

25 mikrona kadar metal yapıları doğru bir şekilde yazdırma yeteneği ile hem nanorobotik (nanoscale mikroçipler) hem de mikroelektronik bu teknolojinin eşit derecede yararlanabileceği alanlardır.

Nanoscale 3D yazıcı teknolojileri 

Kimyager Liaisan Khasanova, Oldenburg Üniversitesi‘nde, nanoscale’de yazdırma için gereken özel nozzle ucunu oluşturmakla görevlendirildi. Birordinary silica cam tüpünden başlayarak, 1mm kalınlığında bir kapiller tüp mavi bir sıvıyla doldurulur. Elektrik uygulandığında bir reaksiyon meydana gelir ve yüksek bir ses çıkar. Tüp çıkarıldığında, gereksinimlerini karşılayacak kadar küçük bir delik ortaya çıkar. “Lazer ışını, cihaz içindeki tüpü ısıtıp ayırır. Sonra gerilme kuvvetini suddenly artırırız, böylece cam orta kısmında kırılır ve çok keskin bir uç oluşur,” diye açıklıyor Khasanova, Oldenburg Üniversitesi‘nde Kimya bölümünde Electrochemical Nanotechnology Grubunda doktora çalışması yapan bir kimyager.

Üniversitenin Wechloy kampüsünde, laboratuvar, tam olarak kendi standartlarına göre inşa edilmiş ve programlanmış 3 yazıcıya sahiptir. Bugün kullanılan tüketici 3D yazıcılarına benzer, ancak bir farkla – boyut.

Bu yazıcılar, doğruluğa odaklanıyor ve titreşimlerin azaltılması için büyük granit tabanları ve köpükle kaplıyor. Bu adımlar, 3D yazıcıyı daha küçük ölçeklerde daha yüksek doğrulukla kontrol etmeyi sağlıyor. Geleneksel toz tabanlı metal 3D yazıcılar yalnızca mikron düzeyinde çözünürlüğe sahiptir, bu da 1000 katlık bir boyut farkıdır.  

Yazıcıların ortamı da dikkate alınıyor, laboratuvarın ışıkları, alternatif akımlar tarafından üretilen manyetik alan girişimi nedeniyle dikkate alınıyor. manyetik alanı izole etmeye yardımcı olmak için pilli ışıklar kullanıyorlar.

Metal nano-yapılarına küçük bir bakış

Nano-ölçek yazdırılan plastik moleküller, yapısal şekillerde kolayca manipüle edilebilir, çünkü onlar daha zayıf ve daha düşük sıcaklık toleransına sahipler. Plastiklerin esnek doğası, bilim adamlarına daha küçük şekillerde manipüle etme olanağı sağlar. Bu kullanım kolaylığı, yazıcı teknolojisinin çoğu recent ilerlemesine neden oldu.

Karşılaştırıldığında, metal nanoscale 3D yazıcı, daha sıkı toleranslar ve daha yüksek ısı ve aşınma direnci gerektirir. Bu yazıcılar, küçük ve doğru yazdırmaları sağlamak için geliştirilmiş yazıcı uçları ve yeniden keşfedilen yazıcı uçları da dahil olmak üzere rafine yazıcı algoritmalarına ihtiyaç duyuyor. 

Şu anda, ekip bakır, gümüş, nikel, nikel-mangan ve nik-kobalt alaşımları ile çalışabiliyor. Dr. Momotenko ve araştırmacılar ekibi, Journal of Nanotechnologies‘de 2021 yılında yayımladıkları çalışmalarında, 25 nanometre veya 195 bakır atomu büyüklüğünde bakır spiral sütunlar oluşturmayı başardılar. Dr. Momotenko ve meslektaşı Julian Hengsteler tarafından oluşturulan bir yöntem, geri çekme sürecini önlemek için extrusion başlığı ile birlikte bir geri bildirim mekanizması kullanıyor. Yazılar, birkaç nanometre saniye hızında katman katman oluşuyor. 

3D print nanoscale bakır sütunları. Fotoğraf kredisi Nano Letters.

Zaman çok önemli

Düz spiral nesneleri yazdırmak, pil depolama ve üretimi ilerlemelerine iyi bir şekilde hizmet ediyor. Nano-yapıları, protonların pilleri hızlı ve eşit bir şekilde geçmesini sağlayan bir şekilde kontrol ediyor. Bu, gelişmiş pil şarj ve deşarj oranlarına yol açıyor.

Bu, enerji depolamaya bağımlı endüstrilerden, EV pilleri, şebekeden bağımsız evlere veya güç şebekesi arızası nedeniyle asla offline olamayan veri sunucusu çiftliklerinin depolama gereksinimlerine kadar yararlanabilecektir.

İlk önce risk geliyor

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

Pil, tam kapasiteye şarj edildiğinde reaksiyonundan oluşan ısıyı nasıl yönetecek? “Bir yandan, aktif elektrot malzemelerini nanoscale’de üretmek için gereken kimyasallar üzerinde çalışıyoruz, diğer yandan da bu malzemelere yazıcı teknolojisini adapte etmeye çalışıyoruz,” diyor Dr. Momotenko.

Sonra ilerleme geliyor

Mevcut elektrokaplama teknolojilerini kullanarak bu yöntemi (pozitif yüklü bakır iyonları ve negatif yüklü elektrot ile tuz çözeltisi) adapte ettiler. Ekstrüzyon ucu, ekibi nanoscale’de 3D yazdırma olanağı sağladı, bu da mevcut toz tabanlı 3D yazıcıların mikron düzeyinde sınırlı olmasına karşılık geliyor.

Pil teknolojisi, yalnızca ilk kullanım örneğidir, Dr. Momotenko’nun daha cesur kavramları vardır. Spintronik olarak bilinen daha genç bir alana odaklanmayı planlıyor, bu da elektronların “spin” olarak bilinen kuantum mekanik özelliğini manipüle etmeyi hedefliyor.

Ayrıca, bireysel molekülleri tespit edebilecek sensörler üretmeyi planlıyor. Bu, Alzheimer gibi biyobelirteçlerin çok küçük miktarlarda bulunduğu hastalıkların tespitine yardımcı olacaktır. 

Bu teknolojiyi geliştirdikten sonra, ekip masih insan gözünün göremediği nesneleri oluşturma yeteneğinden etkileniyor.