In de afgelopen jaren heeft 3D-printen, ook wel bekend als additive manufacturing, zich bewezen als een veelbelovend nieuw fabricageproces voor een breed scala aan componenten. Dr. Dmitry Momotenko, chemicus aan de Universiteit van Oldenburg, is er nu in geslaagd ultrakleine metalen voorwerpen te fabriceren met behulp van een nieuwe 3D-printtechniek. In een paper gepubliceerd samen met een team van onderzoekers van ETH Zürich (Zwitserland) en Nanyang Technological University (Singapore) in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters , meldt hij dat de techniek potentiële toepassingen heeft in micro-elektronica, sensortechnologie en batterijtechnologie. Het team heeft een elektrochemische techniek ontwikkeld die kan worden gebruikt om objecten te maken van koper met een diameter van slechts 25 miljardste van een meter (equivalent aan 25 nanometer). Ter vergelijking:een mensenhaar is ongeveer 3000 keer dikker dan de filigrane nanostructuren.

De nieuwe druktechniek is gebaseerd op het relatief eenvoudige en bekende proces van galvaniseren. Bij galvaniseren worden positief geladen metaalionen in een oplossing gesuspendeerd. Wanneer de vloeistof in contact komt met een negatief geladen elektrode, combineren de metaalionen met de elektronen in de elektrode om neutrale metaalatomen te vormen die vervolgens op de elektrode worden afgezet en geleidelijk een vaste metaallaag vormen. "Bij dit proces wordt een vast metaal vervaardigd uit een vloeibare zoutoplossing - een proces dat wij elektrochemici zeer effectief kunnen beheersen", zegt Momotenko. Voor zijn nanoprinttechniek gebruikt hij een oplossing van positief geladen koperionen in een kleine pipet. De vloeistof komt uit de punt van de pipet via een printnozzle. In de experimenten van het team had de mondstukopening een diameter tussen 253 en 1,6 nanometer. Slechts twee koperionen kunnen tegelijkertijd door zo'n kleine opening gaan.

De voortgang van het afdrukproces volgen

De grootste uitdaging voor de wetenschappers was dat naarmate de metaallaag groeit, de opening van het printmondstuk verstopt raakt. Om dit te voorkomen ontwikkelde het team een ​​techniek om de voortgang van het drukproces te monitoren. Ze registreerden de elektrische stroom tussen de negatief geladen substraatelektrode en een positieve elektrode in de pipet en vervolgens werd de beweging van het mondstuk dienovereenkomstig aangepast in een volledig geautomatiseerd proces:het mondstuk benaderde de negatieve elektrode voor een zeer korte tijd en werd vervolgens zo snel teruggetrokken omdat de metaallaag een bepaalde dikte had overschreden. Met deze techniek brachten de onderzoekers geleidelijk de ene koperlaag na de andere aan op het oppervlak van de elektrode. Dankzij de uiterst nauwkeurige positionering van het mondstuk waren ze in staat om zowel verticale kolommen als hellende of spiraalvormige nanostructuren te printen, en slaagden ze er zelfs in om horizontale structuren te produceren door simpelweg de printrichting te veranderen.

Ze waren ook in staat om de diameter van de structuren zeer nauwkeurig te regelen - enerzijds door de keuze van de grootte van de printnozzle en anderzijds tijdens het eigenlijke printproces op basis van elektrochemische parameters. Volgens het team hebben de kleinst mogelijke objecten die met deze methode kunnen worden geprint een diameter van ongeveer 25 nanometer, wat overeenkomt met 195 koperatomen op een rij.

Een combinatie van printen op metaal en precisie op nanoschaal

Dat betekent dat het met de nieuwe elektrochemische techniek mogelijk is om veel kleinere metalen voorwerpen te printen dan ooit tevoren. 3D-printen met bijvoorbeeld metaalpoeders, een typische methode voor 3D-printen van metalen, kan momenteel een resolutie bereiken van ongeveer 100 micrometer. De kleinste objecten die met deze methode kunnen worden geproduceerd, zijn daarom 4.000 keer groter dan die in het huidige onderzoek. Hoewel met andere technieken nog kleinere constructies kunnen worden gemaakt, is de keuze aan potentiële materialen beperkt. "De technologie waaraan we werken, combineert beide werelden:metaalprinten en precisie op nanoschaal", zegt Momotenko. Net zoals 3D-printen een revolutie heeft veroorzaakt in de productie van complexe grotere componenten, zou additive manufacturing op micro- en nanoschaal het mogelijk kunnen maken om functionele structuren en zelfs apparaten met ultrakleine afmetingen te fabriceren, legt hij uit.

"3D-geprinte katalysatoren met een groot oppervlak en een speciale geometrie om een ​​bepaalde reactiviteit mogelijk te maken, kunnen worden voorbereid voor de productie van complexe chemicaliën", zegt Momotenko. Driedimensionale elektroden kunnen de opslag van elektrische energie efficiënter maken, voegt hij eraan toe. De chemicus en zijn team werken momenteel aan dit doel:in hun NANO-3D-LION-project willen ze het oppervlak van elektroden drastisch vergroten en de afstanden tussen de kathode en de anode in lithium-ionbatterijen verkleinen door middel van 3D-printen, in om het laadproces te versnellen. + Verder verkennen

3D-printen van metalen micro-objecten