Mimo iż druk 3D tworzyw sztucznych dotarł już do nanoskali, wytwarzanie maleńkich obiektów metalowych za pomocą tej technologii nie było do tej pory możliwe. Trudno stworzyć coś wystarczająco małego i o odpowiednim stopniu czystości.
Czytaj też: Rewolucja w samonaprawiających się materiałach. Druk 3D rozwiązuje ich największe problemy
Dr Dmitry Momotenko z Uniwersytetu w Oldenburgu próbuje doprowadzić druk 3D do “jego technologicznych granic”, a te wydają się łączyć z metalem w nanoskali. Dr Momotenko specjalizuje się w galwanotechnice, odmianie elektrochemii, w której jony metalu zawieszone w roztworze soli stykają się z ujemnie naładowaną elektrodą. Dodatnio naładowane jony łączą się z elektronami, tworząc neutralne atomy metalu, które osadzają się na elektrodzie, tworząc stałą warstwę.
Ciekły roztwór soli staje się stałym metalem – proces ten, my elektrochemicy, możemy bardzo skutecznie kontrolować. Ten sam proces jest używany do chromowania części samochodowych i pozłacania biżuterii na większą skalę. Dr Dmitry Momotenko
Druk 3D zawitał do nanoskali
W laboratorium Wechloy, w którym pracuje dr Momotenko, znajdują się trzy drukarki – wszystkie zbudowane i zaprogramowane przez jego zespół. Podobnie jak inne drukarki 3D, składają się one z dyszy drukującej, rurek do podawania materiału do druku, mechanizmu sterującego i elementów mechanicznych do poruszania dyszą. Ot “zwykłe” drukarki 3D, tyle że dużo mniejsze.
Kolorowy roztwór soli fizjologicznej przepływa przez delikatne rurki do cienkiej kapilary, która z kolei zawiera równie cienki kawałek drutu – anodę. Zamyka ona obwód z katodą, pozłacanym płatkiem krzemu mniejszym od paznokcia, który jest jednocześnie powierzchnią, na której odbywa się druk. Mikrosilniki i specjalne kryształy, które zmieniają się natychmiast po przyłożeniu napięcia elektrycznego, szybko przesuwają dyszę o ułamki milimetra we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych. Dr Dmitry Momotenko
Ponieważ nawet najmniejsze drgania mogą zakłócić proces drukowania, dwie z drukarek znajdują się w skrzyniach pokrytych grubą warstwą pianki akustycznej i są osadzone na granitowych płytach, każda o masie 150 kg. Lampy w laboratorium są zasilane bateriami, ponieważ pola elektromagnetyczne wytwarzane przez prąd zmienny z gniazdka elektrycznego zakłóciłyby maleńkie prądy i napięcia elektryczne potrzebne do kontrolowania procesu nanodruku.
Kolumny są najprostszymi formami geometrycznymi powstającymi w druku 3D, ale naukowcy z Oldenburga mogą drukować również spirale, pierścienie i wszelkiego rodzaju struktury przewieszone. Technika może być obecnie wykorzystywana do drukowania z miedzi, srebra i niklu, a także stopów niklowo-manganowych i niklowo-kobaltowych. Zespół dr Momotenko w 2021 r. poinformował o stworzeniu miedzianych kolumn o średnicy zaledwie 25 nm, po raz pierwszy przechodząc z drukiem 3D z metalem poniżej granicy 100 nm.
Czytaj też: Naukowcy poprawili druk 3D z metalu. Wydruki stały się znacznie trwalsze
Plany dr Momotenko dotyczące nanodruku 3D są niezwykłe – jego celem jest stworzenie podstaw do akumulatorów, które można by ładować 1000 razy szybciej niż obecnie. Jeżeli to się uda, przyszłe samochody elektryczne będziemy ładować nie w ciągu godzin, a kilku sekund. Aby to osiągnąć, elektrody (które obecnie są płaskie) musiałyby mieć strukturę trójwymiarową. Na ten moment jest to poza naszym zasięgiem technologicznym, ale zespół dr Momotenko ma pomysł, jak problem ten rozwiązać. Nam pozostaje czekać i trzymać kciuki za powodzenie projektu.
