I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un mezzo basato sulla luce per stampare strutture metalliche di dimensioni nanometriche che è significativamente più veloce ed economico di qualsiasi tecnologia attualmente disponibile. Si tratta di una soluzione scalabile che potrebbe trasformare un campo scientifico che da tempo dipende da tecnologie proibitivamente costose e lente. Questa svolta ha il potenziale per portare nuove tecnologie fuori dai laboratori e nel mondo.
I progressi tecnologici in molti campi si basano sulla capacità di stampare strutture metalliche di dimensioni nanometriche, una scala centinaia di volte più piccola della larghezza di un capello umano. Sourabh Saha, assistente professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, e Jungho Choi, Ph.D. studente nel laboratorio di Saha, ha sviluppato una tecnica per la stampa di nanostrutture metalliche che è 480 volte più veloce e 35 volte più economica dell'attuale metodo convenzionale.
La loro ricerca è pubblicata sulla rivista Advanced Materials .
La stampa di metalli su scala nanometrica, una tecnica nota come nanopatterning, consente la creazione di strutture uniche con funzioni interessanti. È fondamentale per lo sviluppo di molte tecnologie, inclusi dispositivi elettronici, conversione dell'energia solare, sensori e altri sistemi.
Si ritiene generalmente che per la stampa su scala nanometrica siano necessarie sorgenti luminose ad alta intensità. Ma questo tipo di strumento, noto come laser a femtosecondi, può costare fino a mezzo milione di dollari ed è troppo costoso per la maggior parte dei laboratori di ricerca e delle piccole imprese.
"Come comunità scientifica, non abbiamo la capacità di produrre abbastanza di questi nanomateriali in modo rapido e conveniente, ed è per questo che le tecnologie promettenti spesso rimangono limitate al laboratorio e non vengono tradotte in applicazioni nel mondo reale", ha affermato Saha. .
"La domanda a cui volevamo rispondere è:'Abbiamo davvero bisogno di un laser a femtosecondi ad alta intensità per stampare su scala nanometrica?' La nostra ipotesi era che non avessimo bisogno di quella fonte di luce per ottenere il tipo di stampa che desideriamo."
Hanno cercato una luce a basso costo e a bassa intensità che potesse essere focalizzata in modo simile ai laser a femtosecondi e hanno scelto diodi emettitori di luce superluminescenti (SLED) per la loro disponibilità commerciale. Gli SLED emettono una luce un miliardo di volte meno intensa di quella dei laser a femtosecondi.
Saha e Choi hanno deciso di creare un'originale tecnologia di stampa in stile proiezione, progettando un sistema che converte le immagini digitali in immagini ottiche e le visualizza su una superficie di vetro. Il sistema funziona come i proiettori digitali ma produce immagini più nitide. Hanno sfruttato le proprietà uniche della luce superluminescente per generare immagini nitide e focalizzate con difetti minimi.
Hanno quindi sviluppato una soluzione di inchiostro trasparente composta da sale metallico e hanno aggiunto altri prodotti chimici per assicurarsi che il liquido potesse assorbire la luce. Quando la luce proveniente dal loro sistema di proiezione colpiva la soluzione, provocava una reazione chimica che convertiva la soluzione salina in metallo. Le nanoparticelle metalliche si attaccano alla superficie del vetro e l'agglomerazione delle particelle metalliche crea le nanostrutture. Poiché si tratta di un tipo di stampa a proiezione, è possibile stampare un'intera struttura in una volta sola, anziché punto per punto, il che risulta molto più veloce.
Dopo aver testato la tecnica, hanno scoperto che la stampa su scala nanometrica in stile proiezione è possibile anche con luce a bassa intensità, ma solo se le immagini sono nitide. Saha e Choi ritengono che i ricercatori possano replicare facilmente il loro lavoro utilizzando l'hardware disponibile in commercio. A differenza di un costoso laser a femtosecondi, il tipo di SLED utilizzato da Saha e Choi nella loro stampante costa circa 3.000 dollari.
"Al momento, solo le migliori università hanno accesso a queste costose tecnologie e, anche in questo caso, si trovano in strutture condivise e non sono sempre disponibili", ha affermato Choi. "Vogliamo democratizzare la capacità della stampa 3D su scala nanometrica e speriamo che la nostra ricerca apra le porte a un maggiore accesso a questo tipo di processo a basso costo."
I ricercatori affermano che la loro tecnica sarà particolarmente utile per le persone che lavorano nei campi dell'elettronica, dell'ottica e della plasmonica, che richiedono tutti una varietà di nanostrutture metalliche complesse.
"Penso che i parametri di costo e velocità siano stati notevolmente sottovalutati nella comunità scientifica che lavora sulla fabbricazione e sulla produzione di strutture minuscole", ha affermato Saha.
"Nel mondo reale, questi parametri sono importanti quando si tratta di trasferire le scoperte dal laboratorio all'industria. Solo quando disponiamo di tecniche di produzione che tengono conto di questi parametri saremo in grado di sfruttare appieno la nanotecnologia a vantaggio della società."
Ulteriori informazioni: Jungho Choi et al, Stampa scalabile di nanostrutture metalliche tramite proiezione di luce superluminescente, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202308112
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dal Georgia Institute of Technology
