Der 3D-Druck im Nanomaßstab ist die Fähigkeit, Objekte in Nanometern gemessen in 3D zu drucken. Zum Beispiel gibt es 1.000.000 Nanometer in 1 Millimeter. Um die Größe oder das Fehlen davon besser zu verstehen, sollten wir uns auf die Größe eines menschlichen Haares beziehen, das einen Durchmesser von 75.000 bis 100.000 Nanometern hat.
Erforschung des 3D-Drucks im Nanomaßstab
Dieses mikroskopische scale hosts eine Reihe potenzieller Produkte, die die Branche revolutionieren, von kleineren Computerchips und 1-PC-Leiterplatten für Computer bis hin zu Metallteilen im Nanomaßstab, die schnellere Lade-/Entladefähigkeiten für Batterien ermöglichen.
Dieser Durchbruch wird sowohl die Effizienz verbessern und steigern Sie die Produktivität kleinerer Teile.
Branchen wie Mikroelektronik, Nanorobotik und Sensortechnologien werden von der Fähigkeit profitieren, auf einer solchen Nanoskala zu arbeiten, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Derzeit erforschen Universitäten in ganz Amerika verschiedene Möglichkeiten drucken im Nanomaßstab und behalten gleichzeitig die Genauigkeit bei, die ihre jeweiligen Branchen erfordern.
Einige dieser Institute konzentrieren sich auf Fortschritte in der Elektrotechnik, während andere Nanodruckverfahren im Auge haben, die photochemische Reaktionen nutzen, einschließlich der Immobilisierung von Proteinen, Glykanen oder Genen.
Im Nanomaßstab gedruckte synthetische Materialien und Kunststoffe haben lange von der Fähigkeit profitiert, in diesem Maßstab zu drucken, erst in den vorangegangenen 2-3 Jahren haben Wissenschaftler Durchbrüche beim genauen Drucken von Metallobjekten auf diese Größe erzielt.
Der 3D-Druck von Metall in dieser Größenordnung ermöglicht es Wissenschaftlern, ein Objekt Atom für Atom zusammenzusetzen.
3D-Drucklösungen im Nanomaßstab
Dr. Dmitry Momotenko, Leiter der Nachwuchsgruppe am Institut für Chemie, glaubt, dass diese Technologie es seinem Team ermöglichen wird, Batterien in 3D zu drucken, die sich mehr als 1000-mal schneller aufladen und entladen können als aktuelle konkurrierende Technologien. Einige seiner Aussagen beinhalten: „Wenn das heute erreicht werden kann, können Elektrofahrzeuge innerhalb von Sekunden aufgeladen werden.“
Das Ziel ist es, die Wege zwischen den Ionen in der Batteriezelle exponentiell zu verkürzen. Der 3D-Druck im Nanomaßstab wird es seinem Team ermöglichen, diese 20 Jahre alte Idee zu überdenken, in der Hoffnung, die inneren Strukturen von Batterien in 3D so drucken zu können, dass Elektronen die gesamte Zelle auf einmal passieren können, anstatt von einer Zelle aus passieren zu müssen Seite der Zelle auf die andere Seite.
Mit der Fähigkeit, Metallstrukturen bis auf 25 Mikrometer genau zu drucken, werden sowohl die Nanorobotik (Mikrochips im Nanomaßstab) als auch die Mikroelektronik gleichermaßen von dieser Technologie profitieren.
Nanoskalige 3D-Druckertechnologien
Chemikerin Liaisan Khasanova von der Universität Oldenburg hat die Aufgabe, die spezialisierte Düse herzustellen Spitze erforderlich, um im Nanomaßstab zu drucken. Ausgehend von einem gewöhnlichen Quarzglasrohr wird ein 1 mm dickes Kapillarrohr mit einer blauen Flüssigkeit eingeführt. Sobald Strom angelegt wird, findet eine Reaktion statt, die zu einem lauten Knall führt. Das Rohr wird dann entfernt, wodurch ein Loch freigelegt wird, das klein genug ist, um ihre Anforderungen zu erfüllen. „Ein Laserstrahl im Inneren des Geräts erwärmt das Rohr und zieht es auseinander. Dann erhöhen wir schlagartig die Zugkraft, sodass das Glas in der Mitte bricht und eine sehr scharfe Spitze entsteht“, erklärt Khasanova, die an ihrer Doktorarbeit arbeitet. in Chemie in der Elektrochemischen Nanotechnologie-Gruppe an der Universität Oldenburg, Deutschland.
Am Campus Wechloy, das Labor verfügt über 3 Drucker, die im eigenen Haus nach ihren anspruchsvollen Standards gebaut und programmiert werden. Ähnlich im Konzept wie die heutigen 3D-Drucker für Verbraucher, aber mit einem kleinen Unterschied – der Größe.
Diese Drucker konzentrieren sich auf Genauigkeit und verwenden große Granitsockel, die mit Schaumstoff beschichtet sind, um die durch den Druckprozess erzeugten Vibrationen zu reduzieren. Diese Schritte helfen bei der präzisen Steuerung des 3D-Druckers, was zu einer höheren Genauigkeit bei kleineren Maßstäben führt. Herkömmliche pulverbasierte 3D-Metalldrucker sind nur in der Lage, Auflösungen im Mikrometerbereich zu erreichen, was einem 1000-fachen Größenunterschied entspricht.
Die Umgebung des Druckers wird ebenfalls berücksichtigt, das Team hat die Beleuchtung in seinem Labor aufgrund elektromagnetischer Interferenzen berücksichtigt. Sie verwenden batteriebetriebene Lichter, um das durch Wechselströme erzeugte elektromagnetische Feld zu isolieren.
Ein kleiner Blick auf Metall-Nanostrukturen
Im Nanomaßstab gedruckte Kunststoffmoleküle lassen sich leicht in vorgegebene strukturelle Formen manipulieren ihre mangelnde Festigkeit und geringere Hitzetoleranz. Die Formbarkeit von Kunststoff bietet Wissenschaftlern die Möglichkeit, den Kunststoff in kleinere Formen zu manipulieren. Diese Benutzerfreundlichkeit hat zu den meisten der jüngsten Fortschritte in der Drucktechnologie geführt.
Im Vergleich dazu erfordert der 3D-Druck von Metall im Nanomaßstab engere Toleranzen und eine höhere Beständigkeit gegen Hitze und Verschleiß. Diese Drucker erforderten jüngste Fortschritte von verfeinerten Druckalgorithmen bis hin zu neu erfundenen Druckerspitzen, um kleine, genaue Drucke zu ermöglichen.
Derzeit kann das Team mit Kupfer-, Silber-, Nickel-, Nickel-Mangan-und Nick-Kobalt-Legierungen arbeiten. Dr. Momotenko und einem Forscherteam gelang es, im Rahmen ihrer im Journal of Nanotechnologies in 2021. Unter Verwendung einer von Dr. Momotenko und seinem Kollegen Julian Hengsteler entwickelten Methode wird ein Rückkopplungsmechanismus in Verbindung mit dem Extrusionskopf verwendet, um den Rückzugsprozess zu vermitteln, der erforderlich ist, um zu verhindern, dass sich die Düse mitten im Druck verfestigt. Drucke nehmen Schicht für Schicht mit einer Geschwindigkeit von wenigen Nanometern pro Sekunde Gestalt an.
3D-Druck von Kupfersäulen im Nanomaßstab. Bildnachweis an Nano Letters.
Zeit drängt
Das Drucken flacher spiralförmiger Objekte eignet sich gut für die Fortschritte bei der Batteriespeicherung und-produktion. Es steuert die Nanostrukturen so, dass die Protonen schnell und gleichmäßig durch die Batterie strömen können. Dies führt zu verbesserten Lade-und Entladeraten der Batterien.
Dies kommt Branchen zugute, die auf Energiespeicherung angewiesen sind, von EV-Batterien bis hin zu netzunabhängigen Haushalten oder den Speicheranforderungen von Datenserverfarmen, die niemals offline gehen können B. aufgrund eines Stromnetzausfalls.
Zuerst kommt das Risiko
Um die mit der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien verbundenen Risiken zu mindern, werden spezielle abgedichtete Kammern mit Argongas mit positivem Druck gefüllt. Die Kammer ist so dimensioniert, dass sie den Drucker in einer inerten Umgebung aufnehmen kann, ist 10 Fuß lang und wiegt fast 1000 Pfund.
Wie wird die Batterie die Wärme bewältigen, die durch ihre Reaktion entsteht, wenn sie voll aufgeladen ist? „Einerseits arbeiten wir an der Chemie, die benötigt wird, um aktive Elektrodenmaterialien im Nanomaßstab herzustellen; andererseits versuchen wir, die Drucktechnologie an diese Materialien anzupassen“, sagt Dr. Momotenko.
Dann kommt der Fortschritt
Aufgrund vorhandener Galvanisierungstechnologien konnten sie diese anpassen Methode (positiv geladene Kupferionen mit einer negativ geladenen Elektrode in der Salzlösung). Die vom Team entwickelte Extrusion-Spitze hat ihnen den 3D-Druck im Nanomaßstab ermöglicht , im Vergleich zu aktuellen pulverbasierten 3D-Druckern, die auf Mikrometer beschränkt sind.
Die Batterietechnologie ist nur der erste Anwendungsfall, Dr. Momotenko hat andere mutige Konzepte im Sinn. Er plant, diese Drucktechnologie zu nutzen, um Kapital aus einem jüngeren Gebiet namens Spintronik zu schlagen, das auf die Fähigkeit dazu abzielt manipulieren „Spin“ – eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen.
Er plant auch die Herstellung von Sensoren, die einzelne Moleküle erkennen können. Dies würde beim Nachweis von Alzheimer helfen, das für seine geringen Mengen an Biomarkern berüchtigt ist.
Auch nach der Entwicklung dieser Technologie ist das Team immer noch beeindruckt von der Fähigkeit, Objekte zu erschaffen, die das menschliche Auge ohne Hilfe nicht sehen kann.