3D 打印
纳米级3D打印即将成为现实
纳米级3D打印是指能够打印出以纳米为单位的物体的能力。例如，1毫米中有1,000,000个纳米。为了更好地理解其大小或缺乏大小，我们应该参考一根人类头发的大小，它的直径为75,000-100,000纳米。
探索纳米级3D打印
这种微观尺度的技术有可能带来一系列可能颠覆行业的产品，从较小的计算机芯片和1个打印的计算机板到纳米级金属零件，这些零件可以实现更快的充电/放电能力。
这种突破将既提高效率，又增加较小零件的生产率。
像微电子、纳米机器人和传感器技术这样的行业都将从能够在纳米级别上创建物体而不损失准确性中受益。目前，美国各大学正在研究不同方法来在纳米级别上打印，同时保持其各自行业所需的准确性。
其中一些机构专注于电气技术的进步，而其他机构则专注于利用光化学反应的纳米打印方法，包括蛋白质、糖类或基因的固定。
纳米级打印的合成材料和塑料长期以来一直受益于在此规模上打印的能力，但科学家们在过去2-3年中才在打印金属物体方面取得了突破，准确地达到此大小。
在此规模上3D打印金属使科学家能够原子按原子地组装一个物体。
纳米级3D打印解决方案
Dr. Dmitry Momotenko，化学研究所的初级研究组负责人，他认为这种技术将使他的团队能够3D打印出可以以超过1000倍于当前竞争技术更快的速度充电和放电的电池。他的部分陈述包括： “如果今天可以实现，电动汽车可以在几秒钟内充电”。
目标是指数级地缩短电池单元中的离子路径。纳米级3D打印将使他的团队能够重新审视20年前的这个想法，希望能够以允许电子一次通过整个单元而不是从单元的一侧通过到另一侧的方式3D打印电池的内部结构。
凭借准确打印金属结构的能力，下至25微米，纳米机器人（纳米级微芯片）和微电子技术都将同样受益于这种技术。
纳米级3D打印机技术
奥尔登堡大学的化学家Liaisan Khasanova负责创建用于在纳米级别上打印的专用喷嘴尖端。从一个普通的二氧化硅玻璃管开始，插入一个1毫米厚的毛细管，里面有蓝色液体。一旦施加电力，就会发生反应，发出一声响亮的爆炸声。然后取出管子，露出一个足够小的孔以满足他们的要求。 “激光束在设备内部加热管子并将其拉开。然后我们突然增加拉伸力，使玻璃在中间断裂，形成一个非常尖锐的尖端，” Khasanova解释道，她正在奥尔登堡大学的电化学纳米技术小组中攻读化学博士学位，位于德国。
在大学的Wechloy校区，实验室中有3台打印机，它们是按照他们的严格标准在家中建造和编程的。与今天的消费者3D打印机类似，但有一个小的区别 – 尺寸。
这些打印机专注于准确性，使用大型花岗岩基座和泡沫层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，从而在较小的尺度上实现更高的准确性。传统的基于粉末的金属3D打印机仅能够实现微米级的分辨率，尺寸差异为1000倍。
打印机的环境也被考虑在内，团队考虑了实验室中的灯光，因为它们会产生电磁干扰。他们使用电池供电的灯光来帮助隔离交流电产生的电磁场。
对金属纳米结构的简要介绍
纳米级打印的塑料分子可以轻松地被操纵成结构形状，考虑到它们的强度较低和较低的耐热性。塑料的可塑性为科学家提供了将塑料操纵成较小形状的能力。这种易用性导致了最近在打印技术方面的许多进步。
相比之下，金属纳米级3D打印需要更严格的公差和更高的耐热性和耐磨性。这些打印机需要从精细的打印算法到重新发明的打印机尖端等最近的进步，以实现小型精确打印。
目前，团队能够使用铜、银、镍、镍锰和镍钴合金。Dr. Momotenko和一组研究人员成功地创建了25纳米或195个铜原子大小的铜螺旋柱作为他们在2021年纳米技术杂志上发表的研究的一部分。使用Dr. Momotenko和他的同事Julian Hengsteler创建的方法，反馈机制与挤出头一起用于调节打印过程中预防喷嘴固化所需的回拉过程。打印物一层一层地形成，每秒几纳米。
3D打印纳米级铜柱。照片来源：Nano Letters。
时间至关重要
打印平面螺旋物体有利于电池存储和生产的进步。它以允许质子快速均匀地通过电池的方式控制纳米结构。结果是增强了电池的充电速率和放电速率。
这将使依赖于能量存储的行业受益，从电动汽车电池到离网家庭，或数据服务器农场的存储要求，它们永远不能由于电网故障而离线。
首先是风险
为了减轻与生产锂离子电池相关的风险，专用密封室被填充有正压惰性氩气。这些室的尺寸足以容纳打印机，在惰性环境中，室的长度为10英尺，重约1000磅。
当电池充满电时，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反应；另一方面，我们正在尝试将打印技术适应这些材料，” Dr. Momotenko说。
然后是进步
依靠现有的电镀技术，他们能够适应这种方法（正电荷铜离子和盐溶液中的负电荷电极）。团队开发的挤出尖端使他们能够在纳米级别上3D打印，与当前仅限于微米的基于粉末的3D打印机相比。
电池技术只是第一个用例，Dr. Momotenko有其他大胆的概念。他计划利用这种打印技术来利用一个较新的领域，称为自旋电子学，它的目标是操纵”自旋” – 电子的量子力学性质。
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，以其微小的生物标志物而闻名。
即使在开发了这种技术之后，团队仍然对能够创建人类肉眼无法看到的物体这一能力感到惊讶。
