3D 打印
纳米级 3D 打印正在接近现实
纳米级3D打印是指3D打印纳米级物体的能力。 举例来说，1,000,000毫米有1纳米。 为了更好地了解其大小或缺乏，我们应该参考一根人类头发的大小，其直径为 75,000-100,000 纳米。
探索纳米级3D打印
这种微型主机具有一系列潜在的行业颠覆性产品，从更小的计算机芯片和单片印刷计算机板到纳米级金属部件，这些部件可以让电池具有更快的充电/放电能力。
这一突破将提高效率并提高较小零件的生产率。
微电子、纳米机器人和传感器技术等行业将受益于在不影响精度的情况下在纳米尺度上进行创造的能力。 此时 所大学 美国各地正在研究不同的纳米级打印方法，同时保持各自行业所需的精度。
其中一些研究所专注于电气技术的进步，而另一些研究所则着眼于利用光化学反应（包括固定蛋白质、聚糖或基因）的纳米印刷方法。
纳米级打印合成材料和塑料长期以来都受益于这种规模的打印能力，只是在过去的2-3年里，科学家们才在将金属物体精确打印到这种尺寸方面取得了突破。
这种规模的 3D 打印金属使科学家能够逐个原子地组装物体。
纳米级3D打印解决方案
德米特里·莫莫坚科博士，谁领导了初级研究小组 化学研究所相信这项技术将使他的团队能够 3D 打印电池，其充电和放电速度比当前竞争技术快 1000 倍以上。 他的一些言论包括： “如果今天可以实现这一点，电动汽车可以在几秒钟内充电”.
目标是成倍缩短电池中离子之间的路径。 纳米级 3D 打印将使他的团队重新审视这个 20 年前的想法，希望能够以一种允许电子立即穿过整个电池的方式 3D 打印电池的内部结构，而不是必须从一个电池穿过细胞的一侧到另一侧。
能够精确打印小至 25 微米的金属结构厌氧机器人（纳米级微芯片）和微电子学将同样受益于这项技术。
纳米级3D打印机技术
化学家 Liaisan Khasanova 在 奥尔登堡大学 其任务是制造纳米级打印所需的专用喷嘴头。 从一根普通的石英玻璃管开始，插入一根1毫米厚的毛细管，并插入蓝色液体。 一旦通电，就会发生反应，导致一声巨响。 然后移除管子，露出一个足够小的孔以满足他们的要求。 “设备内部的激光束加热管子并将其拉开。 然后我们突然增加拉力，使玻璃在中间破裂并形成一个非常锋利的尖端，” 正在攻读博士学位的卡萨诺娃解释道。 电化学纳米技术组化学博士 奥尔登堡大学，德国。
在大学的 韦赫洛伊 该实验室拥有 3 台打印机，这些打印机是按照严格的标准在内部构建和编程的。 其概念与当今的消费级 3D 打印机类似，但有一点小小的不同——尺寸。
这些打印机注重准确性，利用铺有泡沫的大型花岗岩底座来帮助减少打印过程中产生的振动。 这些步骤有助于精确控制 3D 打印机，从而在较小的尺寸下实现更高的精度。 传统粉末基金属 3D 打印机只能实现微米级分辨率，尺寸相差 1000 倍。
打印机的环境也被考虑在内，由于电磁干扰，团队考虑了实验室的灯光。 他们使用电池供电的灯来帮助隔离交流电产生的电磁场。
金属纳米结构的小观察
由于纳米级印刷塑料分子缺乏强度且耐热性较低，因此很容易将其加工成结构形状。 塑料的可塑性使科学家能够将塑料加工成更小的形状。 这种易用性促成了打印技术的大部分最新进步。
相比之下，金属纳米级 3D 打印需要更严格的公差以及更高的耐热性和耐磨性。 这些打印机需要最新的进步，从改进的打印算法到重新发明的打印机尖端，以实现小尺寸的精确打印。
目前，该团队能够处理铜、银、镍、镍锰和镍钴合金。 Momotenko 博士和一组研究人员成功制造了 25 纳米或 195 个铜原子大小的铜螺旋柱，作为其研究的一部分，该研究发表在 2021年纳米技术杂志。 利用 Momotenko 博士和他的同事 Julian Hengsteler 创建的方法，将反馈机制与挤出头结合使用，以调节防止喷嘴在打印中凝固所需的缩回过程。 打印一次形成一层，速度为每秒几纳米。
3D 打印纳米级铜柱。 照片来源 纳米快报.
时间就是生命
打印扁平螺旋物体有助于电池存储和生产的进步。 它控制纳米结构，使质子快速均匀地穿过电池。 这导致电池充电速率和放电速率提高。
这将使依赖能源存储的行业受益，从电动汽车电池到离网家庭，或者永远不会因电网故障而离线的数据服务器场的存储要求。
首先是风险
为了降低与锂离子电池生产相关的风险，专门的密封室充满了正压惰性氩气。 该腔室长 10 英尺，重近 1000 磅，尺寸适合在惰性环境中容纳打印机。
当电池充满电时，它如何管理其反应产生的热量？ “一方面，我们正在研究生产纳米级活性电极材料所需的化学； 另一方面，我们正在尝试使印刷技术适应这些材料，” 莫莫坚科博士说。
然后就是进步
依靠现有的电镀技术，他们能够采用这种方法（带正电的铜离子和盐溶液内带负电的电极）。 这 挤压 与当前仅限于微米级的基于粉末的 3D 打印机相比，该团队开发的技巧使他们能够进行纳米级 3D 打印。
电池技术只是第一个用例，Momotenko 博士还有其他大胆的概念。 他计划利用这种印刷技术来利用一个名为自旋电子学的年轻领域，该领域的目标是操纵“自旋”（电子的量子力学特性）的能力。
他还计划制造能够检测单个分子的传感器。 这将有助于检测阿尔茨海默病，这种病因其微量生物标志物而臭名昭著。
即使在开发了这项技术之后，该团队仍然对创造人眼在没有帮助的情况下无法看到的物体的能力感到敬畏。
