Under de senaste åren har 3D-utskrift, även känd som additiv tillverkning, etablerat sig som en lovande ny tillverkningsprocess för en mängd olika komponenter. Dr Dmitry Momotenko, kemist vid universitetet i Oldenburg, har nu lyckats tillverka ultrasmå metallföremål med en ny 3D-utskriftsteknik. I en artikel publicerad tillsammans med ett team av forskare från ETH Zürich (Schweiz) och Nanyang Technological University (Singapore) i den vetenskapliga tidskriften Nano Letters , rapporterar han att tekniken har potentiella tillämpningar inom mikroelektronik, sensorteknik och batteriteknik. Teamet har utvecklat en elektrokemisk teknik som kan användas för att göra föremål av koppar med bara 25 miljarddels meter (motsvarande 25 nanometer) i diameter. Som jämförelse är ett människohår cirka 3000 gånger tjockare än filigrannanostrukturerna.

Den nya trycktekniken är baserad på den jämförelsevis enkla och välkända processen för galvanisering. Vid elektroplätering suspenderas positivt laddade metalljoner i en lösning. När vätskan kommer i kontakt med en negativt laddad elektrod kombineras metalljonerna med elektronerna i elektroden för att bilda neutrala metallatomer som sedan avsätts på elektroden och gradvis bildar ett fast metallskikt. "I den här processen tillverkas en fast metall av en flytande saltlösning - en process som vi elektrokemister kan kontrollera mycket effektivt", säger Momotenko. För sin nanotryckteknik använder han en lösning av positivt laddade kopparjoner i en liten pipett. Vätskan kommer ut från pipettens spets genom ett tryckmunstycke. I teamets experiment hade munstycksöppningen en diameter på mellan 253 och 1,6 nanometer. Endast två kopparjoner kan passera genom en sådan liten öppning samtidigt.

Övervaka framstegen i utskriftsprocessen

Den största utmaningen för forskarna var att när metallskiktet växer tenderar öppningen av tryckmunstycket att bli igensatt. För att förhindra detta utvecklade teamet en teknik för att övervaka framstegen i tryckprocessen. De registrerade den elektriska strömmen mellan den negativt laddade substratelektroden och en positiv elektrod inuti pipetten och sedan justerades munstyckets rörelse därefter i en helautomatisk process:munstycket närmade sig den negativa elektroden under en mycket kort tid och drogs sedan tillbaka så snart eftersom metallskiktet hade överskridit en viss tjocklek. Med denna teknik applicerade forskarna gradvis det ena kopparskiktet efter det andra på elektrodens yta. Tack vare den extremt exakta placeringen av munstycket kunde de skriva ut både vertikala kolumner och lutande eller spiralformade nanostrukturer, och lyckades till och med producera horisontella strukturer genom att helt enkelt ändra utskriftsriktningen.

De kunde också styra strukturernas diameter mycket exakt – för det första genom valet av tryckmunstyckesstorlek och för det andra under själva tryckprocessen utifrån elektrokemiska parametrar. Enligt teamet har de minsta möjliga objekt som kan skrivas ut med denna metod en diameter på cirka 25 nanometer, vilket motsvarar 195 kopparatomer i rad.

Kombinerar metallutskrift och precision i nanoskala

Det betyder att det med den nya elektrokemiska tekniken är möjligt att skriva ut mycket mindre metallföremål än vad som någonsin har tryckts tidigare. 3D-utskrift med till exempel metallpulver – en typisk metod för 3D-utskrift av metaller – kan för närvarande uppnå en upplösning på cirka 100 mikrometer. De minsta föremålen som kan produceras med denna metod är därför 4 000 gånger större än de i den aktuella studien. Även om även mindre strukturer kan tillverkas med andra tekniker är valet av potentiella material begränsat. "Tekniken vi arbetar med kombinerar båda världarna - metalltryck och precision i nanoskala", säger Momotenko. Precis som 3D-utskrift har utlöst en revolution i produktionen av komplexa större komponenter, kan additiv tillverkning på mikro- och nanoskala göra det möjligt att tillverka funktionella strukturer och till och med enheter med ultrasmå dimensioner, förklarar han.

"3D-printade katalysatorer med stor ytarea och speciell geometri för att tillåta speciell reaktivitet skulle kunna förberedas för produktion av komplexa kemikalier", säger Momotenko. Tredimensionella elektroder skulle kunna göra lagring av elektrisk energi effektivare, tillägger han. Kemisten och hans team arbetar för närvarande mot just detta mål:i deras NANO-3D-LION-projekt syftar de till att drastiskt öka elektrodernas yta och minska avstånden mellan katoden och anoden i litiumjonbatterier genom 3D-utskrift, i för att påskynda laddningsprocessen. + Utforska vidare

3D-utskrift av metalliska mikroobjekt