La impresión 3D a nanoescala es la capacidad de imprimir objetos 3D medidos en nanómetros. Como ejemplo, hay 1.000.000 de nanómetros en 1 milímetro. Para comprender mejor el tamaño o la ausencia del mismo, debemos hacer referencia al tamaño de un cabello humano, que tiene un diámetro de 75 000 a 100 000 nanómetros.
Explorando la impresión 3D a escala nanométrica
Este host de escala microscópica es una variedad de productos que podrían alterar la industria, desde chips de computadora más pequeños y placas de computadora impresas de 1 pieza hasta piezas de metal a nanoescala que dan paso a capacidades de carga/descarga más rápidas para las baterías.
Este avance mejorará la eficiencia y aumentará la productividad de las piezas más pequeñas.
Industrias como la microelectrónica, la nanorobótica y las tecnologías de sensores se beneficiarán de la capacidad de crear a nanoescala sin perder precisión. En este momento universidades en todo Estados Unidos están investigando diferentes formas de imprimir a escala nanométrica manteniendo la precisión que requieren sus respectivas industrias. Varios de estos institutos se centran en los avances en tecnologías eléctricas, mientras que otros tienen la vista puesta en métodos de nanoimpresión que utilizan reacciones fotoquímicas, incluida la inmovilización de proteínas, glicanos o genes.
Los materiales sintéticos y plásticos impresos a nanoescala se han beneficiado durante mucho tiempo de la capacidad de imprimir a esta escala, solo en los 2 o 3 años anteriores los científicos han logrado avances en la impresión de objetos metálicos con precisión a este tamaño.
La impresión 3D de metal a esta escala permite a los científicos ensamblar un objeto átomo por átomo.
Soluciones de impresión 3D a nanoescala
Dr. Dmitry Momotenko, quien dirige el grupo de investigación junior en el Instituto de Química, cree que esta tecnología permitirá a su equipo imprimir en 3D baterías que pueden recargarse y descargarse a velocidades 1000 veces más rápidas que las tecnologías actuales de la competencia. Algunas de sus declaraciones incluyen: “Si eso se puede lograr hoy, los EV’S se pueden cargar en segundos”.
El objetivo es acortar exponencialmente los caminos entre un ion en una celda de batería. La impresión 3D a nanoescala permitirá a su equipo revisar esta idea de hace 20 años con la esperanza de poder imprimir en 3D las estructuras internas de las baterías de una manera que permita que los electrones atraviesen toda la celda a la vez en lugar de tener que pasar por un lado. de la celda a la otra.
La nanorobótica y la microelectrónica se beneficiarán igualmente de esta tecnología. Con la capacidad de imprimir con precisión estructuras metálicas de hasta 25 micras, la industria será testigo de cómo los microchips a nanoescala dan paso a la microelectrónica.
Tecnologías de impresoras 3D a nanoescala
El químico Liaisan Khasanova en el Universidad de Oldemburgo tiene la tarea de crear la punta de boquilla muy especializada necesaria para imprimir a nanoescala. Partiendo de un tubo de vidrio de sílice, se inserta un tubo capilar de 1 mm de espesor con un líquido azul. Una vez que se aplica electricidad, se produce una reacción que resulta en un fuerte estallido. Luego se retira el tubo y se revela un orificio lo suficientemente pequeño para cumplir con sus requisitos. “Un rayo láser dentro del dispositivo calienta el tubo y lo separa. Luego, repentinamente aumentamos la fuerza de tracción para que el vidrio se rompa por la mitad y se forme una punta muy afilada”, explica Khasanova, quien está trabajando en su doctorado. en química en el Grupo de Nanotecnología Electroquímica de la Universidad de OldemburgoAlemania.
en la universidad wechloy campus, el laboratorio consta de 3 impresoras que se construyen y programan internamente según sus exigentes estándares. Similar en concepto a las impresoras 3D de consumo actuales, pero con una pequeña diferencia: el tamaño.
Estas impresoras se enfocan en la precisión, utilizando grandes bases de granito con capas de espuma para ayudar a reducir las vibraciones creadas por el proceso de impresión. Estos pasos ayudan a controlar con precisión la impresora 3D, lo que da como resultado una precisión mucho mayor a escalas mucho más pequeñas. Las impresoras 3D convencionales de metal a base de polvo solo son capaces de resoluciones a nivel de micras, que son varios miles de veces más grandes que nuestro caso de estudio.
El entorno de la impresora también se tiene en cuenta, el equipo ha tenido en cuenta las luces de su laboratorio debido a la interferencia electromagnética. Usan luces que funcionan con baterías para ayudar a aislar el campo electromagnético generado por la corriente alterna.
Una pequeña mirada a las nanoestructuras metálicas
Las moléculas de plástico impresas a nanoescala pueden manipularse en formas estructurales debido a su falta de resistencia y a su menor tolerancia al calor. Esta maleabilidad ha permitido a los científicos la capacidad de moldear el plástico en formas más pequeñas.
La impresión 3D a nanoescala de metal, por otro lado, requiere tolerancias mucho más estrictas y una mayor resistencia tanto al calor como al desgaste. Como resultado, se tuvieron que desarrollar nuevas tecnologías de impresión 3D que permitieran impresiones tan pequeñas y precisas. Desde algoritmos de impresión altamente refinados hasta consejos de impresora completamente reinventados.
Actualmente, el equipo puede trabajar con aleaciones de cobre, plata, níquel, níquel-magnesio y níquel-cobalto. Momtenko y un equipo de investigadores lograron crear columnas espirales de cobre de 25 nanómetros o 195 átomos de cobre de tamaño como parte de su estudio publicado en el Journal of Nanotechnologies en 2021. Utilizando un método creado por Momtenko y su colega Julian Hengsteler, se usa un mecanismo de retroalimentación junto con el cabezal de extrusión para ayudar a mediar en el proceso de retracción requerido para evitar que la boquilla se solidifique a mitad de la impresión. Las impresiones toman forma una capa a la vez imprimiendo a velocidades de solo unos pocos nanómetros por segundo.
El tiempo es la esencia
La capacidad de la impresora para imprimir objetos planos en espiral se presta bien a los avances en el almacenamiento y la producción de baterías. El desafío técnico es imprimir de manera rápida y precisa mientras se estabilizan las nanoestructuras de una manera que permita que los protones pasen a través de la batería de manera rápida y uniforme. Esto da como resultado baterías capaces de aumentar las tasas de carga y descarga.
Esta disrupción tecnológica beneficiará a las industrias que dependen del almacenamiento de energía, desde baterías de vehículos eléctricos hasta hogares sin conexión a la red. Debido a la relación simbiótica de la humanidad con la electrónica y las demandas intensivas de energía de la IA actual, esto podría cambiar las reglas del juego para los futuros requisitos de almacenamiento de energía.
Sin riesgo, el progreso no puede existir
Me imagino que, como científico, uno consideraría todas las variables, sin dejar piedras sin remover. El Dr. Momotenko y sus electores hicieron precisamente eso. Reconociendo los peligros que existen con los dispositivos de almacenamiento de energía a base de litio, el equipo se dispuso a mitigar todos los riesgos asociados con la producción de una batería de iones de litio. Esto requería cámaras selladas especializadas llenas de gas argón inerte a presión positiva, separadas del científico por guantes de goma de grado industrial sellados a la cámara. La cámara es bastante grande teniendo en cuenta lo que se realizará dentro de ella, esto es un resultado directo de la necesidad de contener toda la impresora en un entorno inerte. Con un tamaño de 10 pies de largo y un peso de casi 1000 libras, su tamaño dice mucho de los pasos que el equipo está dispuesto a tomar para garantizar el manejo adecuado de la reacción química altamente peligrosa que tendrá lugar en el interior.
Hay otros obstáculos presentes en su estudio de caso, como los contaminantes de argón y su impacto. Cómo se comportará la batería cuando se cargue al máximo en segundos, gestionando el calor producido por su reacción. “Por un lado, estamos trabajando en la química necesaria para producir materiales de electrodos activos a nanoescala; por otro, estamos tratando de adaptar la tecnología de impresión a estos materiales”, dice el Dr.Momotenko
No se detiene con la tecnología de la batería, el Dr.Momotenko tiene en mente otros conceptos audaces. Planea utilizar esta tecnología de impresión a través de un enfoque más específico de la reacción química. Esto es parte del campo más joven, la espintrónica, que se enfoca en la capacidad de manipular el “espín”, una propiedad mecánica cuántica de los electrones. También planea fabricar sensores capaces de detectar moléculas individuales. Esto ayudaría a detectar la enfermedad de Alzheimer, conocida por sus cantidades fraccionarias de biomarcadores.
Incluso después de trabajar con tecnologías durante algún tiempo, el equipo todavía está asombrado por la capacidad de crear cosas que el ojo humano es incapaz de ver sin ayuda.