Forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat ett ljusbaserat sätt att skriva ut metallstrukturer i nanostorlek som är betydligt snabbare och billigare än någon teknik som finns tillgänglig för närvarande. Det är en skalbar lösning som kan förändra ett vetenskapligt område som länge är beroende av teknologier som är oöverkomligt dyra och långsamma. Genombrottet har potential att ta ut ny teknik från laboratorier och ut i världen.
Teknologiska framsteg inom många områden är beroende av förmågan att skriva ut metalliska strukturer som är i nanostorlek - en skala som är hundratals gånger mindre än bredden på ett människohår. Sourabh Saha, biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, och Jungho Choi, en Ph.D. student i Sahas labb, utvecklade en teknik för att skriva ut metallnanostrukturer som är 480 gånger snabbare och 35 gånger billigare än den nuvarande konventionella metoden.
Deras forskning publiceras i tidskriften Advanced Materials .
Att skriva ut metall på nanoskala – en teknik som kallas nanomönster – gör det möjligt att skapa unika strukturer med intressanta funktioner. Det är avgörande för utvecklingen av många tekniker, inklusive elektroniska enheter, solenergiomvandling, sensorer och andra system.
Det anses allmänt att högintensiva ljuskällor krävs för utskrift i nanoskala. Men den här typen av verktyg, känd som en femtosekundlaser, kan kosta upp till en halv miljon dollar och är för dyr för de flesta forskningslabb och småföretag.
"Som ett forskarsamhälle har vi inte förmågan att göra tillräckligt med dessa nanomaterial snabbt och överkomligt, och det är därför lovande teknologier ofta förblir begränsade till labbet och inte översätts till verkliga tillämpningar," sa Saha .
"Frågan vi ville svara på är "Behöver vi verkligen en högintensiv femtosekundlaser för att skriva ut på nanoskala?" Vår hypotes var att vi inte behöver den ljuskällan för att få den typ av utskrift vi vill ha."
De sökte efter ett lågkostnadsljus med låg intensitet som kunde fokuseras på ett sätt som liknar femtosekundlasrar, och valde superluminescerande lysdioder (SLED) för deras kommersiella tillgänglighet. SLED-lampor avger ljus som är en miljard gånger mindre intensivt än femtosekundlasrar.
Saha och Choi satte sig för att skapa en originalutskriftsteknik i projektionsstil och designade ett system som omvandlar digitala bilder till optiska bilder och visar dem på en glasyta. Systemet fungerar som digitala projektorer men producerar bilder som är mer skarpt fokuserade. De utnyttjade det superluminescerande ljusets unika egenskaper för att generera skarpt fokuserade bilder med minimala defekter.
De utvecklade sedan en klar bläcklösning bestående av metallsalt och tillsatte andra kemikalier för att se till att vätskan kunde absorbera ljus. När ljus från deras projektionssystem träffade lösningen orsakade det en kemisk reaktion som omvandlade saltlösningen till metall. Metallnanopartiklarna fastnade på glasets yta och agglomerationen av metallpartiklarna skapar nanostrukturerna. Eftersom det är en projektionstyp av utskrift kan den skriva ut en hel struktur på en gång, snarare än punkt för punkt – vilket gör det mycket snabbare.
Efter att ha testat tekniken fann de att utskrift i nanoskala i projektionsstil är möjligt även med lågintensivt ljus, men bara om bilderna är skarpt fokuserade. Saha och Choi tror att forskare lätt kan replikera sitt arbete med kommersiellt tillgänglig hårdvara. Till skillnad från en dyr femtosekundlaser kostar den typ av SLED som Saha och Choi använde i sin skrivare cirka 3 000 USD.
"För närvarande är det bara toppuniversitet som har tillgång till dessa dyra tekniker, och även då är de belägna i delade lokaler och är inte alltid tillgängliga," sa Choi. "Vi vill demokratisera förmågan hos 3D-utskrift i nanoskala, och vi hoppas att vår forskning öppnar dörren för större tillgång till den här typen av processer till en låg kostnad."
Forskarna säger att deras teknik kommer att vara särskilt användbar för personer som arbetar inom elektronik, optik och plasmonik, som alla kräver en mängd komplexa metalliska nanostrukturer.
"Jag tror att mätvärdena för kostnad och hastighet har varit mycket undervärderade i det vetenskapliga samfundet som arbetar med tillverkning och tillverkning av små strukturer," sa Saha.
"I den verkliga världen är dessa mätvärden viktiga när det gäller att översätta upptäckter från labbet till industrin. Först när vi har tillverkningstekniker som tar hänsyn till dessa mätvärden kommer vi att kunna utnyttja nanoteknik fullt ut till samhällsnytta."
Mer information: Jungho Choi et al, Skalbar utskrift av metallnanostrukturer genom superluminescerande ljusprojektion, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202308112
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
