Queste strisce argentate con ponti ad arco sono state realizzate con l'ausilio di una struttura portante in rame, che è stato successivamente inciso. Credito:Alain Reiser / ETH Zurigo
La stampa 3D è diventata un metodo di produzione sempre più importante. I ricercatori dell'ETH hanno ora sviluppato una nuova tecnica di stampa 3D con cui è possibile produrre oggetti di dimensioni micrometriche fatti di diversi metalli con un'elevata risoluzione spaziale.
Le stampanti 3D possono stampare quasi tutto in questi giorni, dai prototipi di produzione agli organi artificiali fino a intere case. In particolare su scala microscopica, produzione di additivi, come è anche nota la stampa 3D, permette di produrre strutture che non possono essere realizzate con altre tecniche come la litografia. Fino ad ora, un punto debole della manifattura additiva è stata la realizzazione di strutture metalliche su scala micrometrica. Un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo guidato da Ralph Spolenak, docente presso il Laboratorio di Nanometallurgia del Dipartimento di Materiali, insieme a Dimos Poulikakos del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e di Processo e Renato Zenobi del Dipartimento di Chimica e Bioscienze Applicate, hanno ora sviluppato una tecnica che consente anche di stampare due metalli contemporaneamente con una risoluzione spaziale di 250 nanometri.
Alternative all'inchiostro
I metodi convenzionali per la stampa 3D su metallo sono basati sull'inchiostro, il che significa che il metallo desiderato viene sciolto come nanoparticelle in una sospensione e consegnato su una superficie attraverso un ugello di stampa. Un vantaggio di tali inchiostri è che possono essere realizzati con una varietà di materiali, ma hanno anche importanti svantaggi. "Queste tecniche richiedono un trattamento post-stampa che prevede il riscaldamento, che si traduce in un restringimento e una pronunciata porosità del materiale, " spiega Alain Reiser, un dottorato di ricerca studente del gruppo di Spolenak e primo autore dello studio recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura . "Tipicamente, questo significa che le strutture metalliche sono meno conduttive, meccanicamente instabile e, Inoltre, spesso contaminato con i composti organici del solvente liquido."
Stampa con ioni
Risolvere questo problema, i ricercatori dell'ETH hanno scelto la via diretta:i metalli non si depositano più come nanoparticelle, ma piuttosto trasportati sotto forma di ioni metallici caricati elettricamente. Questi ioni vengono creati applicando una tensione elettrica a un "anodo sacrificale" costituito dal metallo desiderato all'interno dell'ugello di stampa. Gli ioni vengono quindi spruzzati da forze elettriche all'interno di un solvente sulla superficie di stampa, dove perdono la loro carica elettrica e si ricompongono come un metallo.
I metalli stampati in questo modo sono densi e hanno proprietà elettriche e meccaniche pari a quelle dei film sottili prodotti tradizionalmente. La nuova tecnica di stampa, Inoltre, offre una risoluzione di 250 nanometri con una velocità di stampa di dieci voxel al secondo (un voxel è un elemento di volume, in modo simile a un pixel nella stampa 2-D). Ciò rende la tecnica dieci volte più veloce rispetto ai metodi di stampa elettrochimica esistenti.
Principio di funzionamento della stampa 3D con ioni metallici. Applicando le opportune tensioni si può stampare, per esempio, rame (a sinistra), argento (al centro) o entrambi i metalli contemporaneamente (a destra). Credito:Alain Reiser / ETH Zurigo
Metalli alternati
La nuova "tecnica di stampa redox elettroidrodinamica" ha un altro vantaggio cruciale, come sottolinea Reiser:"Stampando direttamente con ioni metallici, senza la deviazione tramite un inchiostro, possiamo anche stampare due metalli contemporaneamente o in alternanza. Questo ci permette di produrre strutture metalliche con sostanze chimiche controllabili localmente, proprietà elettriche o meccaniche." Per ottenere ciò, i ricercatori utilizzano un doppio ugello di stampa, al cui interno sono presenti due diversi anodi sacrificali. Quale metallo stampare quando, dove e in quale concentrazione è ora possibile controllare semplicemente attraverso le tensioni applicate.
L'utilizzo di un unico ugello di stampa facilita inoltre il posizionamento esatto di entrambi i metalli. È possibile passare da un metallo all'altro fino a dieci volte al secondo. In quel modo, Spolenak e i suoi collaboratori poterono, Per esempio, stampare minuscoli pilastri di soli 250 nanometri di larghezza e che contenevano sezioni alternate di rame e argento. Regolando la composizione della lega bimetallica, la porosità locale, e quindi la rigidità e la stabilità, del nano-pilastro potrebbero essere controllate con precisione.
Struttura in rame stampata strato per strato con una risoluzione spaziale di circa 200 nanometri. Credito:Alain Reiser / ETH Zurigo
Imaging chimico di una struttura 3D stampata con una distribuzione variabile degli elementi nella lega (rosso:rame, blu:argento). Le proprietà chimiche locali possono essere controllate con una risoluzione di 250 nanometri durante il processo di stampa. Credito:Alain Reiser / ETH Zurigo
Nano-pilastri d'argento:incidendo il rame dalle sezioni con una lega argento-rame (gialla), la loro porosità era aumentata. In quei luoghi il materiale è meno stabile, che diventa visibile quando viene applicata una forza (figura in basso). Credito:Alain Reiser / ETH Zurigo
La nuova tecnica ha una moltitudine di possibili applicazioni. I ricercatori dell'ETH stanno attualmente collaborando con esperti di circuiti elettronici stampati per produrre fili di collegamento estremamente sottili a semiconduttori organici utilizzando il loro metodo di stampa 3D. Per di più, in futuro puntano ad ampliare la gamma dei metalli utilizzati (finora, rame, argento e oro sono stati testati) per includere, ad esempio, materiali magnetici. Secondo Reiser, nel lungo periodo la produzione di fotosensori, circuiti integrati stampati e metamateriali meccanici dovrebbero essere possibili.
