Друк наношкали 3D наближається до реальності

Друк наношкали 3D – це можливість друкувати об’єкти, вимірювані в нанометрах. Наприклад, у 1 міліметрі міститься 1 000 000 нанометрів. Щоб краще зрозуміти розмір або його відсутність, ми повинні звернутися до розміру одного людського волосся, яке має діаметр 75 000-100 000 нанометрів.

Дослідження друку наношкали 3D

Цей мікроскопічний масштаб містить ряд потенційних продуктів, які можуть змінити галузь, від менших комп’ютерних чипів і 1-дюймових друкованих плат до наношкалі металевих деталей, які дозволяють швидше заряджати і розряджати батареї.

Цей прорив покращить ефективність і збільшить продуктивність менших деталей.

Галузі, такі як мікроелектроніка, наноробототехніка і технології датчиків, можуть виграти від можливості створювати об’єкти на такому наношкалі без компромісу щодо точності. На даний час університети по всій Америці досліджують різні способи друку на наношкалі, зберігаючи точність, необхідну для їхніх галузей.

Деякі з цих інститутів зосереджені на вдосконаленні електричних технологій, тоді як інші спрямовують свою увагу на методи нанодруку, які використовують фотохімічні реакції, включаючи іммобілізацію білків, гліканів або генів. 

Наношкалі друковані синтетичні матеріали та пластики давно користуються можливістю друкувати на такому рівні, але тільки за останні 2-3 роки вчені зробили прорив у друці металевих об’єктів точно до цього розміру.

Друк металу на такому рівні дозволяє вченим зібрати об’єкт атом за атомом. 

Рішення друку наношкали 3D 

Доктор Дмитро Момотенко, який очолює молодіжну дослідницьку групу в Інституті хімії, вважає, що ця технологія дозволить його команді створити батареї, які можуть заряджатися і розряджатися з швидкістю в 1000 разів швидше, ніж сучасні конкуруючі технології. Деякі його висловлювання включають: “Якщо це можна досягти сьогодні, електромобілі можна зарядити за кілька секунд”.

Мета – експоненційно скоротити шлях між іонами в батарейній комірці. Друк наношкали 3D дозволить його команді переглянути цю 20-річну ідею з надією створити внутрішню структуру батарей за допомогою друку, яка дозволить електронам проходити через всю комірку одночасно, а не проходити з одного боку комірки на інший.

З можливістю точно друкувати металеві структури до 25 мікронів наноробототехніка (наношкалі мікрочипи) і мікроелектроніка можуть виграти від цієї технології.

Технології друку наношкали 3D 

Хімік Ліасан Хасанова в Університеті Ольденбурга зайнята створенням спеціальної насадки для друку на наношкалі. Починаючи з звичайної скляної трубки, вставляється 1-мм товстої капілярної трубки з синьою рідиною. Після застосування електричного струму відбувається реакція, в результаті якої відбувається гучний вибух. Трубку потім видаляють, відкриваючи отвір достатнього розміру, щоб задовольнити їхнім вимогам. “Лазерний промінь всередині пристрою нагріває трубку і тягне її в сторони. Потім ми раптово збільшуємо напруження, так що скло ламаєся в середині, і утворюється дуже гострий наконечник”, пояснює Хасанова, яка працює над своєю дисертацією з хімії в Електрохімічній нанотехнологічній групі Університету Ольденбурга, Німеччина.

На кампусі Університету Вехлой знаходиться лабораторія, оснащена трьома принтерами, побудованими і запрограмованими власними силами згідно з їхніми вимогами. Подібні за концепцією до сучасних споживчих 3D-принтерів, але з однією маленькою різницею – розміром.

Ці принтери зосереджені на точності, використовуючи великі гранітні основи, покриті піном, щоб допомогти зменшити вібрації, створені процесом друку. Ці кроки допомагають точно контролювати 3D-принтер, в результаті чого вища точність на менших масштабах. Традиційні порошкові металеві 3D-принтери здатні друкувати тільки на рівні мікронів, що становить різницю в 1000 разів.  

Середа принтера також береться до уваги, команда врахувала освітлення в своїй лабораторії через електромагнітні перешкоди. Вони використовують батарейні лампи, щоб допомогти ізолювати електромагнітне поле, створене змінними струмами.

Невеликий погляд на металеві наноструктури

Наношкалі друковані пластикові молекули легко маніпулюються в структурні форми завдяки їхній відсутності сили і нижчій тепловій стійкості. М’яка природа пластику надає вченим можливість маніпулювати пластиком у менші форми. Ця легкість використання призвела до більшості недавніх досягнень у технології друку.

Натомість, друку наношкали 3D металу вимагає тісніших допусків і вищої стійкості до тепла і зносу. Ці принтери потребують недавніх досягнень від розвинених алгоритмів друку до винайдених принтерних наконечників, щоб дозволити друкувати маленькі точні друки. 

На даний час команда здатна працювати з міддю, сріблом, нікелем, нікель-мanganом і нікель-кобальтовими сплавами. Доктор Момотенко і команда дослідників були успішні у створенні мідних спіральних колонок розміром 25 нанометрів або 195 мідних атомів у рамках своїх досліджень, опублікованих у Журналі нанотехнологій у 2021 році. Використовуючи метод, створений доктором Момотенко і його колегою Юліаном Хенгстелером, механізм зворотного зв’язку використовується в поєднанні з екструзійною головкою для посередництва процесу відтягування, необхідного для запобігання твердіння наконечника під час друку. Друки утворюються шар за шаром зі швидкістю декількох нанометрів за секунду. 

3D-друк наношкалі мідних колонок. Фото: Nano Letters.

Час є суттєвим

Друк плоских спіральних об’єктів добре підходить для вдосконалення батарейного зберігання і виробництва. Це контролює наноструктури таким чином, що дозволяє прохід проїздити батареї швидко і рівномірно. Це призводить до покращення швидкості заряджання і розряджання батарей.

Це буде вигідним для галузей, які залежать від зберігання енергії, від батарей для електромобілів до будинків, відключених від мережі, або вимог до зберігання даних серверних ферм, які ніколи не можуть вийти з ладу через відключення електричної мережі.

Спочатку йде ризик

Щоб пом’якшити ризики, пов’язані з виробництвом літій-іонних батарей, спеціальні герметичні камери заповнюються позитивним тиском інертного аргонового газу. Розміром для розміщення принтера в інертній середі, камера має довжину 10 футів і вагу майже 1000 фунтів.

Як батарея буде керувати теплом, створеним її реакцією, коли вона заряджається до повної місткості? “З одного боку, ми працюємо над хімією, необхідною для виробництва активних електродних матеріалів на наношкалі; з іншого боку, ми намагаємося адаптувати технологію друку до цих матеріалів”, говорить доктор Момотенко.

Потім йде прогрес

Спрямовуючись на існуючі електрохімічні технології, вони змогли адаптувати цей метод (позитивно заряджені мідні іони з негативно зарядженою електродою всередині солевого розчину). Наконечник, розроблений командою, дозволив їм друкувати на наношкалі 3D, на відміну від поточних порошкових 3D-принтерів, які обмежені мікронами.

Технологія батарей тільки перший випадок використання, доктор Момотенко має інші сміливі концепції на увазі. Він планує використовувати цю технологію друку, щоб скористатися молодою галуззю, такою як спінтроніка, яка націлена на можливість маніпулювати “спіном” – квантовою механічною властивістю електронів.

Він також планує виготовити датчики, здатні виявляти окремі молекули. Це допоможе виявити хворобу Альцгеймера, відому своїми дробними кількостями біомаркерів. 

Після розробки цієї технології команда залишається в захваті від можливості створювати об’єкти, які людське око не здатне бачити без допомоги.