Negli ultimi anni la stampa 3D, nota anche come produzione additiva, si è affermata come un nuovo promettente processo di produzione per un'ampia varietà di componenti. Il Dr. Dmitry Momotenko, un chimico dell'Università di Oldenburg, è ora riuscito a fabbricare oggetti di metallo ultrapiccoli utilizzando una nuova tecnica di stampa 3D. In un articolo pubblicato insieme a un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo (Svizzera) e della Nanyang Technological University (Singapore) sulla rivista scientifica Nano Letters , riferisce che la tecnica ha potenziali applicazioni nella microelettronica, nella tecnologia dei sensori e nella tecnologia delle batterie. Il team ha sviluppato una tecnica elettrochimica che può essere utilizzata per realizzare oggetti di rame di soli 25 miliardesimi di metro (equivalenti a 25 nanometri) di diametro. Per fare un confronto, un capello umano è circa 3000 volte più spesso delle nanostrutture in filigrana.

La nuova tecnica di stampa si basa sul processo relativamente semplice e ben noto della galvanica. Nella galvanica, gli ioni metallici caricati positivamente sono sospesi in una soluzione. Quando il liquido entra in contatto con un elettrodo caricato negativamente, gli ioni metallici si combinano con gli elettroni nell'elettrodo per formare atomi di metallo neutri che vengono poi depositati sull'elettrodo e formano gradualmente uno strato di metallo solido. "In questo processo, un metallo solido viene fabbricato da una soluzione salina liquida, un processo che noi elettrochimici possiamo controllare in modo molto efficace", afferma Momotenko. Per la sua tecnica di nanostampa usa una soluzione di ioni di rame caricati positivamente in una minuscola pipetta. Il liquido fuoriesce dalla punta della pipetta attraverso un ugello di stampa. Negli esperimenti del team l'apertura dell'ugello aveva un diametro compreso tra 253 e 1,6 nanometri. Solo due ioni rame possono passare contemporaneamente attraverso un'apertura così piccola.

Monitoraggio dello stato di avanzamento del processo di stampa

La sfida più grande per gli scienziati è stata che man mano che lo strato di metallo cresce, l'apertura dell'ugello di stampa tende a intasarsi. Per evitare ciò, il team ha sviluppato una tecnica per monitorare l'avanzamento del processo di stampa. Hanno registrato la corrente elettrica tra l'elettrodo di substrato caricato negativamente e un elettrodo positivo all'interno della pipetta e quindi il movimento dell'ugello è stato regolato di conseguenza in un processo completamente automatizzato:l'ugello si è avvicinato all'elettrodo negativo per un tempo molto breve e poi si è ritrato non appena in quanto lo strato metallico aveva superato un certo spessore. Usando questa tecnica, i ricercatori hanno applicato gradualmente uno strato di rame dopo l'altro sulla superficie dell'elettrodo. Grazie al posizionamento estremamente preciso dell'ugello sono stati in grado di stampare sia colonne verticali che nanostrutture inclinate oa spirale, riuscendo anche a produrre strutture orizzontali semplicemente cambiando la direzione di stampa.

Sono stati anche in grado di controllare il diametro delle strutture in modo molto preciso, in primo luogo attraverso la scelta della dimensione dell'ugello di stampa e in secondo luogo durante il processo di stampa vero e proprio sulla base di parametri elettrochimici. Secondo il team, gli oggetti più piccoli possibili che possono essere stampati con questo metodo hanno un diametro di circa 25 nanometri, che equivale a 195 atomi di rame di seguito.

Combinazione di stampa su metallo e precisione su scala nanometrica

Ciò significa che con la nuova tecnica elettrochimica è possibile stampare oggetti di metallo molto più piccoli di quanto non sia mai stato stampato prima. La stampa 3D con polveri metalliche, ad esempio, un metodo tipico per la stampa 3D di metalli, può attualmente raggiungere una risoluzione di circa 100 micrometri. Gli oggetti più piccoli che possono essere prodotti con questo metodo sono quindi 4.000 volte più grandi di quelli del presente studio. Sebbene strutture ancora più piccole possano essere prodotte utilizzando altre tecniche, la scelta dei potenziali materiali è limitata. "La tecnologia su cui stiamo lavorando combina entrambi i mondi:stampa su metallo e precisione su nanoscala", afferma Momotenko. Proprio come la stampa 3D ha innescato una rivoluzione nella produzione di componenti complessi più grandi, la produzione additiva su scala micro e nanometrica potrebbe consentire di fabbricare strutture funzionali e persino dispositivi con dimensioni ultrapiccole, spiega.

"Potrebbero essere preparati catalizzatori stampati in 3D con un'area superficiale elevata e una geometria speciale per consentire una particolare reattività per la produzione di sostanze chimiche complesse", afferma Momotenko. Gli elettrodi tridimensionali potrebbero rendere più efficiente l'accumulo di energia elettrica, aggiunge. Il chimico e il suo team stanno attualmente lavorando proprio per questo obiettivo:nel loro progetto NANO-3D-LION mirano ad aumentare drasticamente la superficie degli elettrodi e ridurre le distanze tra il catodo e l'anodo nelle batterie agli ioni di litio attraverso la stampa 3D, in per velocizzare il processo di ricarica. + Esplora ulteriormente

Stampa 3D di microoggetti metallici