In ấn 3D cấp nano đang dần trở thành hiện thực

In ấn 3D cấp nano là khả năng in 3D các vật thể có kích thước đo bằng nanomet. Ví dụ, có 1.000.000 nanomet trong 1 milimét. Để hiểu rõ hơn về kích thước hoặc thiếu hụt, chúng ta nên tham khảo kích thước của một sợi tóc người, có đường kính từ 75.000-100.000 nanomet.

Khám phá in 3D cấp nano

Quy mô vi mô này chứa đựng nhiều sản phẩm có khả năng phá vỡ ngành công nghiệp, từ các chip máy tính nhỏ hơn và các bảng mạch in một phần đến các bộ phận kim loại cấp nano cho phép sạc và xả pin nhanh hơn.

Nền tảng này sẽ cải thiện hiệu suất và tăng năng suất của các bộ phận nhỏ hơn.

Các ngành công nghiệp như điện tử vi mô, robot cấp nano và công nghệ cảm biến sẽ được hưởng lợi từ khả năng tạo ra các vật thể ở quy mô nano mà không ảnh hưởng đến độ chính xác. Hiện tại, các trường đại học ở Mỹ đang nghiên cứu các phương pháp in cấp nano khác nhau để đáp ứng yêu cầu độ chính xác của từng ngành.

Một số cơ sở này đang tập trung vào việc phát triển công nghệ điện, trong khi những cơ sở khác đang tập trung vào các phương pháp in cấp nano sử dụng phản ứng hóa học, bao gồm cả việc cố định protein, glycans hoặc gen.

Vật liệu tổng hợp và nhựa in cấp nano đã được hưởng lợi từ khả năng in ở quy mô này, và chỉ trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã đạt được những đột phá trong việc in các vật thể kim loại chính xác ở kích thước này.

In 3D kim loại ở quy mô này cho phép các nhà khoa học lắp ráp các vật thể nguyên tử bằng nguyên tử.

Giải pháp in 3D cấp nano

Tiến sĩ Dmitry Momotenko, người đứng đầu nhóm nghiên cứu trẻ tại Viện Hóa học, tin rằng công nghệ này sẽ cho phép nhóm của ông in 3D pin có thể sạc và xả với tốc độ nhanh hơn 1000 lần so với công nghệ hiện tại. Một số tuyên bố của ông bao gồm: “Nếu điều đó có thể đạt được, xe điện có thể được sạc trong vài giây”.

Mục tiêu là giảm đáng kể khoảng cách giữa các ion trong tế bào pin. In 3D cấp nano sẽ cho phép nhóm của ông tái khám phá ý tưởng 20 năm trước, với hy vọng có thể in các cấu trúc nội bộ của pin theo cách cho phép electron đi qua toàn bộ tế bào cùng một lúc, thay vì phải đi từ một bên của tế bào sang bên kia.

Với khả năng in chính xác các cấu trúc kim loại xuống đến 25 micromet, cả robot cấp nano (vi mạch cấp nano) và điện tử vi mô sẽ được hưởng lợi từ công nghệ này.

Công nghệ in 3D cấp nano

Hóa học gia Liaisan Khasanova tại Đại học Oldenburg đang được giao nhiệm vụ tạo ra đầu in chuyên dụng cần thiết để in ở quy mô nano. Bắt đầu với một ống thủy tinh silica thông thường, một ống capillary dày 1mm được chèn vào với một chất lỏng màu xanh. Khi điện được áp dụng, một phản ứng xảy ra, kết quả là một tiếng nổ lớn. Ống được loại bỏ, để lộ một lỗ đủ nhỏ để đáp ứng yêu cầu của họ. “Một chùm tia laser trong thiết bị làm nóng ống và kéo nó ra. Sau đó, chúng tôi tăng đột ngột lực căng để thủy tinh bị vỡ ở giữa và tạo thành một đầu nhọn rất sắc,” Khasanova giải thích, người đang làm việc để lấy bằng tiến sĩ hóa học trong Nhóm Công nghệ Nano Điện hóa tại Đại học Oldenburg, Đức.

Tại khuôn viên Wechloy của trường đại học, phòng thí nghiệm có 3 máy in được xây dựng và lập trình trong nhà để đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của họ. Tương tự như các máy in 3D tiêu dùng ngày nay, nhưng với một sự khác biệt nhỏ – kích thước.

Những máy in này tập trung vào độ chính xác, sử dụng các đế granit lớn được phủ bằng foam để giúp giảm rung động tạo ra bởi quá trình in. Những bước này giúp kiểm soát chính xác máy in 3D, dẫn đến độ chính xác cao hơn ở quy mô nhỏ hơn. Máy in 3D kim loại bột thông thường chỉ có thể đạt được độ phân giải ở mức micromet, một sự khác biệt về kích thước là 1000 lần.

Môi trường của máy in cũng được tính đến, nhóm đã xem xét các đèn trong phòng thí nghiệm của họ do nhiễu điện từ. Họ sử dụng đèn pin để giúp cách ly trường điện từ được tạo ra bởi dòng điện xoay chiều.

Một cái nhìn nhỏ về cấu trúc kim loại nano

Phân tử nhựa in cấp nano có thể dễ dàng được điều chỉnh thành hình dạng cấu trúc do thiếu độ bền và nhiệt độ chịu nhiệt thấp. Tính chất dẻo của nhựa cho phép các nhà khoa học điều chỉnh nhựa thành hình dạng nhỏ hơn. Sự dễ sử dụng này đã dẫn đến hầu hết các tiến bộ gần đây trong công nghệ in.

So sánh, in 3D kim loại cấp nano yêu cầu dung sai chặt chẽ hơn và khả năng chống nhiệt và mài mòn cao hơn. Những máy in này đòi hỏi sự tiến bộ gần đây từ các thuật toán in tinh chế đến đầu in được phát minh lại để cho phép in chính xác nhỏ.

Hiện tại, nhóm có thể làm việc với đồng, bạc, niken, hợp kim niken-mangan và niken-coban. Tiến sĩ Momotenko và một nhóm các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra các cột đồng xoắn 25 nanomet hoặc 195 nguyên tử đồng trong nghiên cứu của họ được công bố trên Tạp chí Công nghệ Nano vào năm 2021. Sử dụng một phương pháp được tạo ra bởi Tiến sĩ Momotenko và đồng nghiệp Julian Hengsteler, một cơ chế phản hồi được sử dụng cùng với đầu extrude để điều chỉnh quá trình thu lại cần thiết để ngăn chặn vòi in bị đặc lại giữa quá trình in. In được tạo thành từng lớp một với tốc độ vài nanomet mỗi giây.

In 3D cột đồng cấp nano. Ảnh tín dụng Thư từ Nano.

Thời gian là điều cốt yếu

In các vật thể xoắn phẳng cho phép tiến bộ trong lưu trữ pin và sản xuất. Nó kiểm soát các nano cấu trúc theo cách cho phép proton đi qua pin nhanh và đồng đều. Điều này dẫn đến tốc độ sạc và xả pin được cải thiện.

Điều này sẽ mang lại lợi ích cho các ngành công nghiệp phụ thuộc vào lưu trữ năng lượng, từ pin xe điện, đến các ngôi nhà ngoài lưới, hoặc các yêu cầu lưu trữ của các trang trại máy chủ dữ liệu không bao giờ có thể ngoại tuyến do sự cố mất điện.

Trước hết là rủi ro

Để giảm thiểu rủi ro liên quan đến sản xuất pin lithium-ion, các buồng kín chuyên dụng được lấp đầy bằng khí argon trơ có áp suất dương. Được thiết kế để chứa máy in trong môi trường trơ, buồng này dài 10 feet và nặng gần 1000 pound.

Làm thế nào pin sẽ quản lý nhiệt được tạo ra bởi phản ứng của nó khi nó được sạc đến công suất tối đa? “Một mặt, chúng tôi đang làm việc về hóa học cần thiết để sản xuất vật liệu điện cực hoạt động ở cấp nano; mặt khác, chúng tôi đang cố gắng thích nghi công nghệ in với các vật liệu này,” Tiến sĩ Momotenko nói.

Then comes progress

Dựa trên công nghệ mạ điện hiện có, họ đã có thể thích nghi phương pháp này (ion đồng tích điện dương với điện cực âm trong dung dịch muối). Đầu extrude mà nhóm đã phát triển cho phép họ in 3D ở cấp nano, so với máy in 3D bột hiện tại bị giới hạn ở mức micromet.

Công nghệ pin chỉ là trường hợp sử dụng đầu tiên, Tiến sĩ Momotenko có những ý tưởng táo bạo khác trong tâm trí. Ông dự định sử dụng công nghệ in này để tận dụng một lĩnh vực trẻ hơn gọi là spintronics, nhắm vào khả năng điều khiển “spin” – một thuộc tính cơ học lượng tử của electron.

Ông cũng dự định sản xuất các cảm biến có khả năng phát hiện các phân tử riêng lẻ. Điều này sẽ giúp phát hiện bệnh Alzheimer, nổi tiếng với số lượng biomarker rất nhỏ.

Ngay cả sau khi phát triển công nghệ này, nhóm vẫn còn kinh ngạc về khả năng tạo ra các vật thể mà mắt người không thể nhìn thấy được mà không cần sự hỗ trợ.