Per la prima volta, è possibile creare complesse strutture metalliche su nanoscala utilizzando la stampa 3D, grazie a una nuova tecnica sviluppata al Caltech.

Il processo, una volta ingrandito, può essere utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni, dalla costruzione di minuscoli impianti medici alla creazione di circuiti logici 3D su chip per computer all'ingegneria di componenti per aerei ultraleggeri. Apre anche le porte alla creazione di una nuova classe di materiali con proprietà insolite che si basano sulla loro struttura interna. La tecnica è descritta in uno studio che sarà pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 9 febbraio

Nella stampa 3D, nota anche come produzione additiva, un oggetto viene costruito strato per strato, consentendo la creazione di strutture che sarebbero impossibili da produrre con metodi sottrattivi convenzionali come l'incisione o la fresatura. La scienziata dei materiali di Caltech Julia Greer è una pioniera nella creazione di architetture 3D ultraminuscole realizzate tramite la produzione additiva. Ad esempio, lei e il suo team hanno costruito reticoli 3D i cui raggi sono larghi solo nanometri, troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo. Questi materiali presentano insoliti, proprietà spesso sorprendenti; Il team di Greer ha creato ceramiche eccezionalmente leggere che tornano alla loro forma originale, spugnoso, dopo essere stato compresso.

Il gruppo di Greer stampa in 3D strutture da una varietà di materiali, dalla ceramica ai composti organici. metalli, però, sono stati difficili da stampare, soprattutto quando si cerca di creare strutture con dimensioni inferiori a circa 50 micron, o circa la metà della larghezza di un capello umano.

Il modo in cui la stampa 3D funziona su scala nanometrica è che un laser ad alta precisione elimina il liquido in punti specifici del materiale con solo due fotoni, o particelle di luce. Ciò fornisce energia sufficiente per indurire i polimeri liquidi in solidi, ma non abbastanza per fondere il metallo.

"I metalli non rispondono alla luce allo stesso modo delle resine polimeriche che usiamo per fabbricare strutture su scala nanometrica, "dice Greer, professore di scienze dei materiali, meccanica, e ingegneria medica nella divisione di ingegneria e scienze applicate di Caltech. "C'è una reazione chimica che si innesca quando la luce interagisce con un polimero che gli consente di indurirsi e quindi di assumere una forma particolare. In un metallo, questo processo è fondamentalmente impossibile."

Lo studente laureato di Greer, Andrey Vyatskikh, ha trovato una soluzione. Ha usato ligandi organici, molecole che si legano al metallo, per creare una resina contenente principalmente polimeri, ma che porta con sé metallo che si può stampare, come un'impalcatura.

Nell'esperimento descritto nell'articolo di Nature Communications, Vyatskikh ha unito nichel e molecole organiche per creare un liquido che assomiglia molto allo sciroppo per la tosse. Hanno progettato una struttura utilizzando un software per computer, e poi l'ha costruito fulminando il liquido con un laser a due fotoni. Il laser crea legami chimici più forti tra le molecole organiche, indurendole in blocchi da costruzione per la struttura. Poiché queste molecole sono anche legate agli atomi di nichel, il nichel viene incorporato nella struttura. In questo modo, il team è stato in grado di stampare una struttura 3D che inizialmente era una miscela di ioni metallici e non metallici, molecole organiche.

Vyatskikh ha quindi messo la struttura in un forno che l'ha riscaldata lentamente fino a 1, 000 gradi Celsius (circa 1, 800 gradi Fahrenheit) in una camera a vuoto. Quella temperatura è ben al di sotto del punto di fusione del nichel (1, 455 gradi Celsius, o circa 2, 650 gradi Fahrenheit) ma è abbastanza caldo da vaporizzare i materiali organici nella struttura, lasciando solo il metallo. Il processo di riscaldamento, noto come pirolisi, fuse insieme anche le particelle metalliche.

Inoltre, perché il processo ha vaporizzato una quantità significativa del materiale della struttura, le sue dimensioni si sono ridotte dell'80 percento, ma ha mantenuto la sua forma e le sue proporzioni.

"Quel restringimento finale è una parte importante del motivo per cui siamo in grado di ottenere strutture così piccole, "dice Vjatskikh, autore principale del documento Nature Communications. "Nella struttura che abbiamo costruito per la carta, il diametro delle travi metalliche nella parte stampata è circa 1/1000 della dimensione della punta di un ago da cucito."

Greer e Vyatskikh stanno ancora perfezionando la loro tecnica; proprio adesso, la struttura riportata nel loro articolo include alcuni vuoti lasciati dai materiali organici vaporizzati e alcune impurità minori. Anche, se la tecnica deve essere utile all'industria, dovrà essere ridimensionato per produrre molto più materiale, dice Greer. Sebbene abbiano iniziato con il nichel, sono interessati ad espandersi ad altri metalli che sono comunemente usati nell'industria ma sono difficili o impossibili da fabbricare in piccole forme 3D, come tungsteno e titanio. Greer e Vyatskikh stanno anche cercando di utilizzare questo processo per stampare in 3D altri materiali, sia comune che esotico, come la ceramica, semiconduttori, e materiali piezoelettrici (materiali con effetti elettrici che derivano da sollecitazioni meccaniche).