Лаборатория исследует наноразмерную 3D-печать

17.12.2022

Химику Ляйсан Хасановой требуется меньше минуты, чтобы превратить обычную трубку из кварцевого стекла в печатающее 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 на части. Затем мы резко увеличиваем усилие натяжения, так что стекло ломается посередине и образуется очень острый кончик», — объясняет Хасанова, работающая над кандидатской 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 крошечными — в некоторых случаях настолько маленькими, чтобы через них могла протиснуться только одна молекула. «Мы пытаемся довести 3D-печать до ее технологических пределов, — говорит д-р Дмитрий Момотенко, руководитель младшей научной группы в Институте химии. Его цель: «Мы хотим собирать объекты по атомам».

Многочисленные приложения

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

В то время как 3D-печать пластмасс уже достигла таких наноразмеров, изготовление крошечных металлических объектов с использованием 3D-технологий оказалось более сложным. При некоторых технологиях печатные структуры все же в тысячу раз превышают размеры для многих сложных приложений, а при других невозможно изготовить объекты с необходимой степенью чистоты.

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

«Жидкий солевой раствор превращается в твердый металл — процесс, который мы, электрохимики, можем очень эффективно контролировать», — говорит Момотенко. Этот же процесс используется для хромирования автомобильных деталей и позолоты ювелирных изделий в больших масштабах.

Немного меньше, чем обычно

Однако перевод его в наномасштаб требует значительной изобретательности, усилий и осторожности, что подтверждает посещение небольшой лаборатории группы в университетском городке Вехлой. Как отмечает Момотенко, в лаборатории есть три принтера, и все они созданы и запрограммированы самой командой. Как и другие 3D-принтеры, они состоят из печатающего сопла, трубок для подачи материала для печати, механизма управления и механических компонентов для перемещения сопла — но в этих принтерах все немного меньше, чем обычно.

Окрашенный физиологический раствор течет по тонким трубкам в тонкую капиллярную трубку, которая, в свою очередь, содержит тонкую как волос часть проволоки — анод. Он замыкает цепь отрицательно поляризованным катодом, позолоченной кремниевой пластинкой размером меньше ногтя, которая также является поверхностью, на которой происходит печать. Микродвигатели 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 размещены в коробках, покрытых 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, потому что электромагнитные поля, создаваемые переменным током из розетки, будут мешать крошечным электрическим токам и напряжениям, необходимым для управления процессом нанопечати.

Путешествие в наномир

Тем временем Ляйсан Хасанова подготовила все для пробной печати: печатающее сопло находится в исходном положении, коробка закрыта, к трубкам подсоединен флакон с голубым раствором меди. Она запускает программу, которая инициирует процесс печати. Данные измерений отображаются на экране в виде кривых и точек. Они показывают изменения в протекании тока и регистрируют кратковременное касание сопла к подложке, а затем снова и снова втягиваются. Что такое машинная печать? «Всего несколько столбцов», — отвечает она.

Колонны — это простейшие геометрические формы, созданные с помощью 3D-печати, но исследователи из Ольденбурга также могут печатать спирали, кольца и всевозможные нависающие конструкции. В настоящее время этот метод можно использовать для печати медью, серебром и никелем, а также никель-марганцевыми и никель-кобальтовыми сплавами. В некоторых своих экспериментах они уже углубились в наномир. Момотенко и международная группа исследователей сообщили в исследовании, опубликованном в журнале Nano Letters в 2021 году, что они произвели медные колонны диаметром всего 25 нанометров, что впервые позволило 3D-печати металлом ниже предела в 100 нанометров.

Одним из краеугольных камней этого успеха стал механизм обратной связи, который позволяет точно управлять движениями печатающего сопла. Он был разработан Момотенко совместно с Джулианом Хенгстелером, доктором философии. студент, которым он руководил на своем предыдущем месте работы, ETH Zurich в Швейцарии. «Непрерывное втягивание печатающего сопла чрезвычайно важно, иначе оно быстро засорится», — объясняет химик.

«Жидкий солевой раствор превращается в твердый металл — процесс, который мы, электрохимики, можем очень эффективно контролировать».

Команда печатает крошечные объекты слой за слоем со скоростью несколько нанометров в секунду. Момотенко до сих пор находит удивительным, что здесь создаются объекты, слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть человеческому глазу. «Вы начинаете с объекта, к которому можете прикоснуться. Затем происходит определенная трансформация, и вы можете управлять этими невидимыми вещами в очень малых масштабах — это почти невероятно», — говорит химик.

Электромобиль может быть заряжен за считанные секунды

Планы Момотенко относительно своей техники нанопечати также ошеломительны: его цель — заложить основу для аккумуляторов, которые можно заряжать в тысячу раз быстрее, чем современные модели. «Если это удастся сделать, вы сможете зарядить электромобиль за считанные секунды», — объясняет он. Основной идее, которую он преследует, уже около 20 лет. Принцип состоит в том, чтобы резко сократить путь ионов внутри батареи во время процесса зарядки.

Для этого электроды, которые в настоящее время плоские, должны иметь трехмерную структуру поверхности. «С нынешней конструкцией батареи зарядка занимает так много времени, потому что электроды относительно толстые и далеко друг от друга», — объясняет Момотенко.

Решение, по его словам, состоит в том, чтобы сцепить аноды и катоды, как пальцы на наноуровне, и уменьшить расстояние между ними до нескольких нанометров. Это позволило бы ионам перемещаться между анодом и катодом с молниеносной скоростью. Проблема: до сих пор не удавалось производить аккумуляторные конструкции с требуемыми наноразмерами.

Теперь Момотенко принял этот вызов. В своем проекте NANO-3D-LION, целью которого является разработка и использование передовых методов наноразмерной 3D-печати для изготовления активных аккумуляторных материалов со сверхмалыми структурными элементами. Успешно сотрудничая с исследовательской группой во главе с профессором доктором Гюнтером Виттстоком в Институте химии в более раннем проекте, Момотенко затем решил основать проект в Ольденбургском университете. «Департамент исследований и передачи очень помог мне с моей заявкой на грант, поэтому я переехал сюда из Цюриха в начале 2021 года», — объясняет он.

Сейчас в его исследовательской группе четыре человека: кроме Хасановой, к.т.н. к команде присоединились студентка Каруна Канес и магистрант Саймон Шпренгель. Кейнс сосредотачивается на новом методе, направленном на оптимизацию точности печатающего сопла, в то время как Шпренгель исследует возможность печати комбинаций двух разных металлов — процесс, необходимый для одновременного производства материала катода и анода за один этап.

Ляйсан Хасанова вскоре сосредоточится на соединениях лития. Ее миссия будет заключаться в том, чтобы выяснить, как электродные материалы, используемые в настоящее время в литиевых батареях, могут быть структурированы с помощью 3D-печати. Команда планирует исследовать такие соединения, как литий-железо или литий-олово, а затем проверить, насколько большими должны быть нано «пальцы» на поверхности электродов, какое расстояние возможно и как электроды должны быть выровнены.

Работа с высокореактивным литием

Одним из основных препятствий здесь является то, что соединения лития очень реакционноспособны, и с ними можно работать только в контролируемых условиях. По этой причине команда недавно приобрела очень большую версию лабораторного перчаточного бокса, газонепроницаемую герметичную камеру, которая может быть заполнена инертным газом, таким как аргон. В одну сторону встроены перчатки для обработки, с помощью которых исследователи могут манипулировать предметами внутри.

Камера длиной около трех метров и весом в полтонны пока не работает, но команда планирует установить внутри нее еще один принтер. «Химическая конверсия материала и все остальные испытания также должны будут проводиться внутри камеры», — поясняет Момотенко.

В ходе проекта команда столкнется с некоторыми важными вопросами: как крошечные примеси в атмосфере аргона влияют на печатные литиевые наноструктуры? Как рассеять тепло, которое неизбежно выделяется при зарядке аккумуляторов за считанные секунды? Как печатать не только крошечные аккумуляторные элементы, но и большие аккумуляторы для питания мобильного телефона или даже автомобиля — в разумные сроки?

«С одной стороны, мы работаем над химией, необходимой для производства активных электродных материалов в наномасштабе, с другой — пытаемся адаптировать технологию печати к этим материалам», — говорит Момотенко, обрисовывая текущие проблемы.

Проблема хранения энергии чрезвычайно сложна, и его команда может сыграть лишь небольшую роль в ее решении, подчеркивает исследователь. Тем не менее, он видит свою группу в хорошем стартовом положении : по его мнению, электрохимическая 3D-печать металлов в настоящее время является единственным жизнеспособным вариантом для производства наноструктурированных электродов и тестирования концепции.

Помимо аккумуляторной технологии, химик также работает над другими смелыми концепциями. Он хочет использовать свою технику печати для производства металлических конструкций, позволяющих более целенаправленно контролировать химические реакции, чем это было возможно до сих пор. Такие планы играют роль в относительно молодой области исследований, известной как спинтроника, которая фокусируется на манипулировании «спином» — квантово-механическим свойством электронов.

Еще одна идея, которую он надеется воплотить в жизнь, — это производство датчиков, способных обнаруживать отдельные молекулы. «Это было бы полезно в медицине, например, для обнаружения онкомаркеров или биомаркеров болезни Альцгеймера в крайне низких концентрациях», — говорит Момотенко.

Все эти идеи все еще являются очень новыми подходами в химии. «Пока не ясно, как все это будет работать», — признается он. Но так обстоит дело в науке: «Каждый значимый исследовательский проект требует длительного обдумывания и планирования, и в конце концов большинство идей терпят неудачу», — заключает он. Но иногда они этого не делают — и он и его команда уже сделали первые успешные шаги на своем пути.