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化学家Liaisan Khasanova只用了不到一分钟的时间就能把一个普通的硅玻璃管变成一个非常特殊的3D打印机的打印喷嘴。化学家将只有一毫米厚的毛细管插入一个蓝色装置，合上盖子，按下按钮。几秒钟后，“砰”的一声巨响，喷管就可以使用了。
“设备内部的激光束加热管子并将其分开。然后我们突然加大张力，使玻璃从中间断裂，形成一个非常锋利的尖端，”正在德国奥尔登堡大学电化学纳米技术小组攻读化学博士学位的Khasanova解释道。
Khasanova和她的同事需要微小的喷嘴来打印极其微小的三维金属结构。这意味着喷嘴的开口必须同样小——在某些情况下小到只能挤进一个分子。“我们正试图将3D打印技术推向极限，”化学研究所初级研究小组的负责人德米特里·莫莫滕科(Dmitry Momotenko)博士说。他的目标是:“我们想一个原子一个原子地组装物体。”
众多的应用程iphonex预定序
纳米级3D打印——换句话说，3D打印只有十亿分之一米大小的物体——开辟了惊人的机会，化学家解释道。特别是金属物体，他可以设想在微电子、纳米机器人、传感器和电池技术等领域的众多应用:“这些领域的各种应用都需要导电材料，所以金属是完美的解决方案。”
虽然塑料的3D打印已经发展到这些纳米级尺寸，但使用3D技术制造微小的金属物体已经被证明更加困难。使用某些技术，打印出来的结构对于许多高级应用来说仍然是1000倍大，而使用其他技术则不可能制造出具有必要纯度的物体。
Momotenko专攻电镀，这是电化学的一个分支，是将悬浮在盐溶液中的金属离子与带负电的电极接触。带正电的离子与电子结合形成中性金属原子，这些金属原子沉积在电极上，形成固体层。
Momotenko说:“液态盐溶液变成了固态金属——我们电化学家可以非常有效地控制这个过程。”同样的工艺也用于大规模的镀铬汽车零件和镀金珠宝。
比平时小一点
然而，将其转移到纳米尺度需要相当大的创造力、努力和细心，正如参观该集团在大学韦克罗伊校区的小实验室所证实的那样。正如Momotenko指出的那样，该实验室草莓视频IOS无限看-丝瓜IOS苏州晶体包含三台打印机——全部由团队自己建造和编程。像其他3D打印机一样，它们由一个打印喷嘴、用于输入打印材料的管子、一个控制机构和用于移动喷嘴的机械部件组成——但在这些打印机中，所有东西都比通常的小一些。
有色的盐水溶液通过精细的管道流入细毛细管，毛细管中有一根头发般细的电线——阳极。它用负极化阴极闭合电路，阴极是一个比指甲还小的镀金硅片，这也是打印的表面。当施加电压时，微电机和特殊晶体会瞬间变形，从而在三个空间方向上以一毫米的分数快速移动喷嘴。
由于即使是最轻微的振动也会破坏打印过程，其中两台打印机被安置在覆盖了一层厚厚的深色声学泡沫的盒子里。此外，它们被放置在每块重达150公斤的花岗岩板上。这两项措施都是为了防止不必要的震动。实验室里的灯也是由电池供电的，因为插座上的交流电产生的电磁场会干扰控制纳米打印过程所需的微小电流和电压。
纳米世界之旅
与此同时，Liaisan Khasanova已经为测试打印做好了一切准备:打印喷嘴位于起始位置，盒子关闭，一个装有浅蓝色铜溶液的小瓶连接到试管上。她启动一个程序，启动打印过程。测量数据以曲线和点的形式显示在屏幕上。这些显示了电流流量的变化，并记录了喷嘴短暂地接触基片，然后一次又一次地缩回。什么是机器打印?“只有几栏，”她回答。
圆柱是3D打印中生成的最简单的几何形式，但奥尔登堡的研究人员也可以打印螺旋、圆环和各种悬垂结构。该技术目前可用于铜、银、镍以及镍锰和镍钴合金的打印。在他们的一些实验中，他们已经冒险深入到纳米世界。Momotenko和一个国际研究团队在2021年发表在《纳米快报》杂志上的一项研究中报告说，他们已经生产出直径仅为25纳米的铜柱，这是3D金属打印首次低于100纳米的限制。
这一成功的基石之一是能够精确控制打印喷嘴运动的反馈机制。它是由Momotenko和他之前在瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)指导的博士生Julian Hengsteler共同开发的。“打印喷嘴的持续收缩是非常重要的，否则它很快就会堵塞，”化学家解释道。
“液态盐溶液变成了固态金属——我们这些电化学家可以非常有效地控制这个过程。”
该团队以每秒几纳米的速度逐层打印微小物体。Momotenko仍然觉得这里创造出的小到人眼无法看到的物体令人惊讶。“你从一个你可以触摸的物体开始。然后发生某种转变，你就可以在极小的范围内控制这些看不见的东西——这几乎是难以置信的，”化学家说。
一辆电动汽车可能在几秒钟内就能充满电
Momotenko的纳米打印技术计划也相当令人难以置信:他的目标是为充电速度比现有电池快1000倍的电池奠定基础。他解释道:“如果能做到这一点，你可以在几秒钟内给电动汽车充电。”他所追求的基本理念已经有20年的历史了。其原理是在充电过程中大幅缩短电池内离子的路径。
为了做到这一点，目前是平面的电极必须具有三维表面结构。Momotenko解释说:“按照目前的电池设计，充电需要很长时间，因为电极相对较厚，而且间隔很远。”
他说，解决方案是将阳极和阴极像手指一样在纳米尺度上互锁，并将它们之间的距离缩短到只有几纳米。这将允许离子以闪电般的速度在阳极和阴极之间移动。问题是:到目前为止，还不可能生产出所需纳米尺寸的电池结构。
桃坚科现在接受了这个挑战。在他的NANO-3D-LION项目中，目标是开发和使用先进的纳米级3D打印技术来制造具有超微结构特征的活性电池材料。Momotenko与化学研究所Gunther Wittstock教授博士领导的研究小组在早期项目中成功合作，然后决定将该项目设在奥尔登堡大学。他解释说:“研究和转学部对我的拨款申请非常有帮助，所以我在2021年初从苏黎世搬到这里。”
他的研究小组现在有四名成员:除了Khasanova，博士生Karuna Kanes和硕士生Simon Sprengel也加入了团队。Kanes专注于一种旨在优化打印喷嘴精度的新方法，而Sprengel则研究了两种不同金属的打印组合的可能性——这是在一个步骤中同时生产阴极和阳极材料所必需的过程。
Liaisan Khasanova将很快关注锂化合物。她的任务是找出目前锂电池中使用的电极材料如何使用3D打印来构建。该团队计划研究锂铁或锂锡等化合物，然后测试电极表面的纳米“手指”需要多大，什么样的间距是可行的，以及电极应该如何对齐。
处理高活性锂
这里的一个主要障碍是锂化合物是高度活性的，只能在受控条件下处理。出于这个原因，该团队最近获得了一个超大版的实验室手套箱，这是一个气密密封的房间，可以装满惰性气体，如氩气。它的一侧有操作手套，研究人员可以用它来操作里面的物体。
这个大约3米长、半吨重的打印机尚未投入使用，但研究小组计划在里面安装另一台打印机。Momotenko解释说:“材料的化学转化和所有其他测试也必须在舱内进行。”
该团队将在项目过程中遇到一些主要问题:氩气大气中的微小杂质如何影响打印的锂纳米结构?当电池在几秒钟内充电时，不可避免地会产生热量，如何散热?如何在合理的时间内打印出不仅是微型电池，而且是为移动电话甚至汽车供电的大型电池?
“一方面，我们正在研究生产纳米级活性电极材料所需的化学物质;另一方面，我们正在努力使打印技术适应这些材料，”Momotenko概述了当前的挑战。
研究人员强调，储能问题极其复杂，他的团队只能在解决这个问题上发挥很小的作用。尽管如此，他认为他的团队处于一个良好的起点:在他看来，金属的电化学3D打印是目前制造纳米结构电极和测试这一概念的唯一可行选择。
除了电池技术，这位化学家还在研究其他大胆的概念。他想用他的打印技术来制造金属结构，使化学反应的控制比目前可能的更有针对性。这样的计划在一个相对年轻的研究领域——自旋电子学中发挥着作用。自旋电子学主要研究“自旋”——电子的量子力学特性的操纵。
他希望付诸实践的另一个想法是制造能够检测单个分子的传感器。Momotenko说:“这在医学上很有帮助，例如，在极低浓度下检测阿尔茨海默病的肿瘤标记物或生物标记物。”
所有这些想法在化学中仍然是非常新的方法。他承认:“目前还不清楚这一切将如何运作。”但在科学领域也是如此:“每一个有意义的研究项目都需要长时间的思考和规划，最终大多数想法都失败了，”他总结道。但有时他们不会——他和他的团队已经在他们的旅程中成功地迈出了第一步。
奥尔登堡大学提供
引用本文:逐原子打印:实验室探索纳米级3D打印(2022,12月16日)检索于2022年12月16日从https://phys.org/news/2022-12-atom-lab-explores-nanoscale-3d.html
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