3D-print nærmer sig atomare dimensioner

I de senere år har 3D-print, også kendt som additiv fremstilling, etableret sig som en lovende ny fremstillingsproces for en lang række komponenter. Dr. Dmitry Momotenko, en kemiker ved Universitetet i Oldenburg, er nu lykkedes med at fremstille ultrasmå metalgenstande ved hjælp af en ny 3D-printteknik. I en artikel offentliggjort sammen med et team af forskere fra ETH Zürich (Schweiz) og Nanyang Technological University (Singapore) i det videnskabelige tidsskrift Nano Letters , rapporterer han, at teknikken har potentielle anvendelser inden for mikroelektronik, sensorteknologi og batteriteknologi. Holdet har udviklet en elektrokemisk teknik, der kan bruges til at lave genstande af kobber på kun 25 milliardtedele meter (svarende til 25 nanometer) i diameter. Til sammenligning er et menneskehår omkring 3000 gange tykkere end filigrannanostrukturerne.

Den nye trykteknik er baseret på den forholdsvis enkle og velkendte proces med galvanisering. Ved galvanisering suspenderes positivt ladede metalioner i en opløsning. Når væsken kommer i kontakt med en negativt ladet elektrode, kombineres metalionerne med elektronerne i elektroden og danner neutrale metalatomer, som derefter aflejres på elektroden og gradvist danner et fast metallag. "I denne proces fremstilles et fast metal af en flydende saltopløsning - en proces, som vi elektrokemikere kan kontrollere meget effektivt," siger Momotenko. Til sin nanoprintteknik bruger han en opløsning af positivt ladede kobberioner i en lille pipette. Væsken kommer ud fra spidsen af ​​pipetten gennem en printdyse. I holdets eksperimenter havde dyseåbningen en diameter på mellem 253 og 1,6 nanometer. Kun to kobberioner kan passere gennem sådan en lille åbning samtidigt.

Overvågning af udskrivningsprocessens fremskridt

Den største udfordring for forskerne var, at når metallaget vokser, har åbningen af ​​printdysen en tendens til at blive tilstoppet. For at forhindre dette udviklede holdet en teknik til at overvåge fremskridtene i udskrivningsprocessen. De registrerede den elektriske strøm mellem den negativt ladede substratelektrode og en positiv elektrode inde i pipetten, og derefter blev dysens bevægelse justeret i overensstemmelse hermed i en fuldautomatisk proces:dysen nærmede sig den negative elektrode i meget kort tid og blev derefter trukket tilbage så snart da metallaget havde overskredet en vis tykkelse. Ved hjælp af denne teknik påførte forskerne gradvist det ene kobberlag efter det andet på elektrodens overflade. Takket være den ekstremt præcise placering af dysen var de i stand til at udskrive både lodrette søjler og skrå eller spiralformet nanostrukturer, og de formåede endda at producere vandrette strukturer ved blot at ændre udskrivningsretningen.

De var også i stand til at styre strukturernes diameter meget præcist – for det første gennem valget af printdysestørrelse og for det andet under selve printprocessen på basis af elektrokemiske parametre. Ifølge holdet har de mindst mulige objekter, der kan udskrives ved hjælp af denne metode, en diameter på omkring 25 nanometer, hvilket svarer til 195 kobberatomer i træk.

Kombinering af metaltryk og præcision i nanoskala

Det betyder, at det med den nye elektrokemiske teknik er muligt at printe langt mindre metalgenstande, end der nogensinde har været trykt før. 3D-print ved hjælp af metalpulver, for eksempel - en typisk metode til 3D-print af metaller - kan i øjeblikket opnå en opløsning på omkring 100 mikrometer. De mindste objekter, der kan fremstilles ved hjælp af denne metode, er derfor 4.000 gange større end dem i den aktuelle undersøgelse. Selvom selv mindre strukturer kan fremstilles ved hjælp af andre teknikker, er valget af potentielle materialer begrænset. "Teknologien, vi arbejder på, kombinerer begge verdener - metalprint og præcision i nanoskala," siger Momotenko. Ligesom 3D-print har udløst en revolution i produktionen af ​​komplekse større komponenter, kan additiv fremstilling på mikro- og nanoskala gøre det muligt at fremstille funktionelle strukturer og endda enheder med ultrasmå dimensioner, forklarer han.

"3D-printede katalysatorer med stort overfladeareal og speciel geometri for at tillade særlig reaktivitet kunne forberedes til produktion af komplekse kemikalier," siger Momotenko. Tredimensionelle elektroder kunne gøre lagring af elektrisk energi mere effektiv, tilføjer han. Kemikeren og hans team arbejder i øjeblikket mod netop dette mål:I deres NANO-3D-LION-projekt sigter de mod drastisk at øge overfladearealet af elektroder og reducere afstanden mellem katoden og anoden i lithium-ion-batterier gennem 3D-print, i for at fremskynde opladningsprocessen. + Udforsk yderligere

3D-print af metalliske mikroobjekter