Печать атом за атомом: лаборатория исследует наноразмерную 3D-печать

Sep 06, 2023

16 декабря 2022 г.

Университетом Ольденбурга

Химику Ляйсан Хасановой требуется меньше минуты, чтобы превратить обычную трубку из кварцевого стекла в печатное сопло для особого 3D-принтера. Химик вставляет капиллярную трубку толщиной всего один миллиметр в синее устройство, закрывает клапан и нажимает кнопку. Через несколько секунд раздается громкий хлопок и насадка готова к использованию.

«Лазерный луч внутри устройства нагревает трубку и разрывает ее. Затем мы внезапно увеличиваем силу растяжения, так что стекло разбивается посередине и образуется очень острый кончик», — объясняет Хасанова, работающая над докторской диссертацией. . по химии в группе электрохимических нанотехнологий Ольденбургского университета, Германия.

Хасановой и ее коллегам нужны крошечные сопла для печати невероятно крошечных трехмерных металлических структур. Это означает, что отверстия сопел должны быть одинаково маленькими — в некоторых случаях настолько маленькими, что сквозь них может протиснуться только одна молекула. «Мы пытаемся довести 3D-печать до технологических пределов», — говорит доктор Дмитрий Момотенко, руководитель младшей научной группы в Институте химии. Его цель: «Мы хотим собирать объекты атом за атомом».

Наномасштабная 3D-печать — другими словами, 3D-печать объектов размером всего в несколько миллиардных долей метра — открывает удивительные возможности, объясняет химик. В частности, он может предусмотреть многочисленные применения металлических предметов в таких областях, как микроэлектроника, наноробототехника, сенсорная и аккумуляторная технология: «Электропроводящие материалы необходимы для всех видов применений в этих областях, поэтому металлы являются идеальным решением».

Хотя 3D-печать пластика уже достигла таких наноразмеров, изготовление крошечных металлических предметов с использованием 3D-технологии оказалось более сложной задачей. При использовании некоторых технологий напечатанные структуры по-прежнему в тысячу раз превышают размеры многих продвинутых приложений, а при использовании других невозможно изготовить объекты необходимой степени чистоты.

Момотенко специализируется на гальванике — разделе электрохимии, в котором ионы металлов, взвешенные в растворе соли, контактируют с отрицательно заряженным электродом. Положительно заряженные ионы соединяются с электронами, образуя нейтральные атомы металла, которые осаждаются на электроде, образуя твердый слой.

«Раствор жидкой соли превращается в твердый металл — процесс, которым мы, электрохимики, можем очень эффективно управлять», — говорит Момотенко. Этот же процесс используется для хромирования автомобильных деталей и позолоты ювелирных изделий в больших масштабах.

Однако перевод его в наноскопический масштаб требует значительной изобретательности, усилий и осторожности, как подтверждает посещение небольшой лаборатории группы в кампусе университета Вехлой. В лаборатории есть три принтера — все они построены и запрограммированы самой командой, как отмечает Момотенко. Как и другие 3D-принтеры, они состоят из печатного сопла, трубок для подачи печатного материала, механизма управления и механических компонентов для перемещения сопла — но в этих принтерах все немного меньше, чем обычно.

Окрашенный солевой раствор течет по тонким трубкам в тонкую капиллярную трубку, которая, в свою очередь, содержит кусок проволоки толщиной с волос — анод. Он замыкает цепь отрицательно поляризованным катодом, позолоченной кремниевой пластинкой размером меньше ногтя, которая также является поверхностью, на которой происходит печать. Микромоторы и специальные кристаллы, которые мгновенно трансформируются при подаче электрического напряжения, быстро перемещают сопло на доли миллиметра во всех трех пространственных направлениях.

Поскольку даже малейшая вибрация может нарушить процесс печати, два принтера помещены в коробки, покрытые толстым слоем акустической пены темного цвета. Кроме того, они покоятся на гранитных плитах, каждая из которых весит 150 килограммов. Обе меры направлены на предотвращение нежелательных вибраций. Лампы в лаборатории также питаются от батарей, поскольку электромагнитные поля, создаваемые переменным током из розетки, будут мешать крошечным электрическим токам и напряжениям, необходимым для управления процессом нанопечати.