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，我们可以参考一根人类头发的直径，大约为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，从更小的计算机芯片和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和放电能力。

这种突破将提高效率和生产力，同时也能生产出更小的零件。

微电子、纳米机器人和传感器技术等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的方法来打印纳米级物体，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从能够打印这种尺寸中受益，只是在过去2-3年，科学家们才在打印金属物体方面取得了突破，准确地达到这种尺寸。

在这个尺度上3D打印金属使得科学家能够原子级别地组装一个物体。

纳米级3D打印解决方案

德米特里·莫莫腾科博士，化学研究所的初级研究组负责人，认为这项技术将使他的团队能够3D打印出可以以1000倍以上的速率充电和放电的电池。他的部分陈述包括：“如果今天就能实现这一点，电动汽车可以在几秒钟内充电”。

目标是大大缩短电池单元中的离子之间的路径。纳米级3D打印将使他的团队能够重新审视这个20年前的想法，希望能够以允许电子一次通过整个单元的方式3D打印电池的内部结构，而不是从单元的一侧通过到另一侧。

凭借能够准确打印金属结构到25微米的能力，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项技术。

纳米级3D打印机技术

奥尔登堡大学的化学家Liaisan Khasanova负责创建用于纳米级打印的专用喷嘴。从一根普通的二氧化硅玻璃管开始，插入一根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。然后我们突然增加张力，使玻璃在中间破裂，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。

在大学的Wechloy校区，实验室里有3台打印机，是按照他们的严格标准自行设计和编程的。与今天的消费者3D打印机类似，但有一点不同 – 尺寸。

这些打印机专注于准确性，使用大型花岗岩基座上覆盖泡沫，以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打印机只能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，团队考虑到了实验室中的照明因素，因为存在电磁干扰。他们使用电池供电的灯来帮助隔离交流电流产生的电磁场。

金属纳米结构小览

纳米级打印的塑料分子由于其缺乏强度和较低的耐热性，可以轻松地成型为结构形状。塑料的可塑性为科学家提供了将其成型为较小形状的能力。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炼的打印算法到重新发明的打印头尖端等一系列进步，以实现小规模的精确打印。

目前，团队能够使用铜、银、镍、镍锰和镍钴合金。莫莫腾科博士和他的研究团队成功地使用2021年发表在《纳米技术杂志》上的方法创建了25纳米或195个铜原子的铜螺旋柱。利用莫莫腾科博士和他的同事Julian Hengsteler开发的方法，反馈机制与挤出头结合使用，以调节打印过程中预防喷嘴固化所需的回抽过程。打印速度为每秒几纳米。

纳米级铜柱3D打印。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通过电池的方式控制纳米结构。这样可以提高电池的充电和放电速率。

这将使依赖能量存储的行业受益，从电动汽车电池到离网家庭，或者数据服务器农场的存储要求，这些服务器不能由于电网故障而关闭。

首先是风险

为了减轻锂离子电池生产的风险，专用密封室内充满了惰性氩气，压力为正压。室内大小足以容纳打印机，长10英尺，重近1000磅。

当电池充电到满容量时，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，” 莫莫腾科博士说。

然后是进步

利用现有的电镀技术，他们能够将该方法（正电荷铜离子和盐溶液中的负电荷电极）适应过来。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。

电池技术只是第一种应用，莫莫腾科博士还有其他大胆的想法。他计划利用这种打印技术来开发一种称为自旋电子学的新领域，这种技术旨在操纵电子的“自旋”——一种量子力学特性。

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。

即使在开发了这项技术之后，团队仍然对能够创造出人类肉眼无法直接看到的物体的能力感到惊讶。