A impressão 3D em nanoescala é a capacidade de imprimir objetos 3D medidos em nanômetros. Por exemplo, existem 1.000.000 nanômetros em 1 milímetro. Para entender melhor o tamanho ou a falta dele, devemos fazer referência ao tamanho de um fio de cabelo humano, que tem 75.000-100.000 nanômetros de diâmetro.
Explorando a impressão 3D em nanoescala
Este microscópico scale host é uma série de produtos potencialmente disruptivos da indústria, desde chips de computador menores e placas de computador impressas em 1 pc até peças de metal em nanoescala que possibilitam capacidades de carga/descarga mais rápidas para baterias.
Esta inovação irá melhorar a eficiência e aumentar a produtividade de peças menores.
Indústrias como microeletrônica, nanorrobótica e tecnologias de sensores podem se beneficiar da capacidade de criar em nanoescala sem comprometer a precisão. Neste momento universidades em toda a América estão pesquisando maneiras diferentes de imprimir em nanoescala, mantendo a precisão exigida por seus respectivos setores.
Vários desses institutos estão focados em avanços em tecnologias elétricas, enquanto outros estão de olho em métodos de nanoimpressão que utilizam reações fotoquímicas, incluindo a imobilização de proteínas, glicanos ou genes.
Materiais sintéticos e plásticos impressos em nanoescala há muito se beneficiam da capacidade de imprimir nessa escala. Somente nos 2 a 3 anos anteriores os cientistas fizeram avanços na impressão de objetos de metal com precisão nesse tamanho.
A impressão 3D de metal nesta escala permite aos cientistas montar um objeto átomo por átomo.
Soluções de impressão 3D em nanoescala
Dr. Dmitry Momotenko, que lidera o grupo de pesquisa júnior no Instituto de Química, acredita que esta tecnologia permitirá que sua equipe imprima em 3D baterias que podem recarregar e descarregar a taxas superiores a 1000x mais rápido do que as tecnologias concorrentes atuais. Algumas de suas declarações incluem:”Se isso pode ser alcançado hoje, os EV’S podem ser carregados em segundos”.
O objetivo é encurtar exponencialmente os caminhos entre os íons na célula da bateria. A impressão 3D em nanoescala permitirá que sua equipe revisite essa ideia de 20 anos na esperança de poder imprimir em 3D as estruturas internas das baterias de uma maneira que permita que os elétrons passem por toda a célula de uma só vez, em vez de ter que passar de um lado da célula para o outro.
Com a capacidade de imprimir com precisão estruturas metálicas de até 25 mícrons, tanto a nanorrobótica (microchips em nanoescala) quanto a microeletrônica se beneficiam igualmente dessa tecnologia.
Tecnologias de impressora 3D em nanoescala
O químico Liaisan Khasanova da Universidade de Oldenburg tem a tarefa de criar o bocal especializado ponta necessária para imprimir em nanoescala. Começando com um tubo de vidro de sílica comum, um tubo capilar de 1 mm de espessura é inserido com um líquido azul. Uma vez que a eletricidade é aplicada, uma reação ocorre, resultando em um grande estrondo. O tubo é então removido revelando um orifício pequeno o suficiente para atender às suas necessidades. “Um feixe de laser dentro do dispositivo aquece o tubo e o separa. Então, de repente, aumentamos a força de tração para que o vidro se quebre no meio e se forme uma ponta muito afiada”, explica Khasanova, que está trabalhando em seu doutorado. em química no Grupo de Nanotecnologia Eletroquímica na Universidade de Oldenburg, Alemanha.
Na Universidade Wechloy campus, o laboratório possui 3 impressoras que são construídas e programadas internamente de acordo com seus padrões exigentes. Semelhante em conceito às impressoras 3D de consumo de hoje, mas com uma pequena diferença – o tamanho.
Essas impressoras focam na precisão, utilizando grandes bases de granito revestidas com espuma para auxiliar na redução das vibrações criadas pelo processo de impressão. Essas etapas ajudam a controlar com precisão a impressora 3D, resultando em maior precisão em escalas menores. As impressoras 3D convencionais de metal à base de pó são capazes apenas de resoluções em nível de mícron, uma diferença de tamanho de 1000x.
O ambiente da impressora também é levado em consideração, a equipe levou em consideração as luzes em seu laboratório devido à interferência eletromagnética. Eles usam luzes alimentadas por bateria para ajudar a isolar o campo eletromagnético gerado por correntes alternadas.
Uma pequena olhada nas nanoestruturas de metal
Moléculas de plástico impressas em nanoescala são facilmente manipuladas em formas estruturais dadas sua falta de resistência e menor tolerância ao calor. A natureza maleável do plástico oferece aos cientistas a capacidade de manipular o plástico em formas menores. Essa facilidade de uso resultou na maioria dos avanços recentes na tecnologia de impressão.
Em comparação, a impressão 3D em nanoescala de metal requer tolerâncias mais rígidas e maior resistência ao calor e ao desgaste. Essas impressoras exigiam avanços recentes, desde algoritmos de impressão refinados até pontas de impressão reinventadas para permitir impressões pequenas e precisas.
Atualmente, a equipe está apta a trabalhar com ligas de cobre, prata, níquel, níquel-manganês e níquel-cobalto. O Dr. Momotenko e uma equipe de pesquisadores conseguiram criar colunas espirais de cobre de 25 nanômetros ou 195 átomos de cobre como parte de seus estudos publicados no Revista de Nanotecnologias em 2021. Utilizando um método criado pelo Dr. Momotenko e seu colega Julian Hengsteler, um mecanismo de feedback é usado em conjunto com a cabeça de extrusão para mediar o processo de retração necessário para evitar que o bico se solidifique no meio da impressão. As impressões tomam forma uma camada por vez em velocidades de alguns nanômetros por segundo.
Colunas de cobre em nanoescala de impressão 3D. Crédito da foto para Nano Letters.
Tempo é essencial
A impressão de objetos espirais planos se presta bem aos avanços do armazenamento e produção de baterias. Ele controla as nanoestruturas de forma a permitir que os prótons passem pela bateria de forma rápida e uniforme. Isso resulta em taxas de carga e descarga de baterias aprimoradas.
Isso beneficiará as indústrias que dependem do armazenamento de energia, de baterias EV a residências fora da rede ou os requisitos de armazenamento de fazendas de servidores de dados que nunca podem ficar offline devido a uma falha na rede elétrica.
Primeiro vem o risco
Para mitigar os riscos associados à produção de baterias de íon-lítio, câmaras seladas especializadas são preenchidas com gás argônio inerte de pressão positiva. Dimensionada para hospedar a impressora em um ambiente inerte, a câmara tem 3 metros de comprimento e pesa cerca de 1.000 libras.
Como a bateria administrará o calor produzido por sua reação quando estiver totalmente carregada? “Por um lado, estamos trabalhando na química necessária para produzir materiais de eletrodos ativos em nanoescala; por outro, estamos tentando adaptar a tecnologia de impressão a esses materiais”, diz o Dr. Momotenko.
Então vem o progresso
Contando com as tecnologias de galvanoplastia existentes, eles foram capazes de adaptar isso método (íons de cobre carregados positivamente com um eletrodo carregado negativamente dentro da solução salina). A dica de extrusão que a equipe desenvolveu permitiu a impressão 3D em nanoescala , em comparação com as atuais impressoras 3D baseadas em pó que são limitadas a mícrons.
A tecnologia de bateria é apenas o primeiro caso de uso, o Dr. Momotenko tem outros conceitos ousados em mente. Ele planeja usar essa tecnologia de impressão para capitalizar em um campo mais jovem chamado spintronics, que visa a capacidade de manipular o “spin” – uma propriedade mecânica quântica dos elétrons.
Ele também planeja fabricar sensores capazes de detectar moléculas individuais. Isso ajudaria na detecção da doença de Alzheimer, notória por suas quantidades fracionárias de biomarcadores.
Mesmo depois de desenvolver esta tecnologia, a equipe continua maravilhada com a capacidade de criar objetos que o olho humano é incapaz de ver sem assistência.