Stampare atomo per atomo: il laboratorio esplora la stampa 3D su scala nanometrica

Sep 06, 2023

16 dicembre 2022

dall'Università di Oldenburg

Il chimico Liaisan Khasanova impiega meno di un minuto per trasformare un normale tubo di vetro di silice in un ugello di stampa per una stampante 3D molto speciale. Il chimico inserisce il tubo capillare, spesso solo un millimetro, in un dispositivo blu, chiude lo sportello e preme un pulsante. Dopo pochi secondi si sente un forte scoppio e l'ugello è pronto per l'uso.

"Un raggio laser all'interno del dispositivo riscalda il tubo e lo separa. Poi aumentiamo improvvisamente la forza di trazione in modo che il vetro si rompa al centro e si formi una punta molto affilata", spiega Khasanova, che sta lavorando al suo dottorato di ricerca. . in chimica nel gruppo di nanotecnologie elettrochimiche dell'Università di Oldenburg, Germania.

Khasanova e i suoi colleghi hanno bisogno di minuscoli ugelli per stampare strutture metalliche tridimensionali incredibilmente piccole. Ciò significa che le aperture degli ugelli devono essere ugualmente piccole, in alcuni casi così piccole che solo una singola molecola può passare attraverso. “Stiamo cercando di portare la stampa 3D ai suoi limiti tecnologici”, afferma il dottor Dmitry Momotenko, che guida il gruppo di ricerca junior presso l’Istituto di Chimica. Il suo obiettivo: "Vogliamo assemblare oggetti atomo per atomo".

La stampa 3D su scala nanometrica – in altre parole la stampa 3D di oggetti di dimensioni pari a pochi miliardesimi di metro – apre incredibili opportunità, spiega il chimico. Soprattutto per gli oggetti metallici, può immaginare numerose applicazioni in settori come la microelettronica, la nanorobotica, la tecnologia dei sensori e delle batterie: "I materiali elettroconduttori sono necessari per tutti i tipi di applicazioni in questi settori, quindi i metalli sono la soluzione perfetta."

Mentre la stampa 3D della plastica è già avanzata fino a raggiungere queste dimensioni su scala nanometrica, la produzione di minuscoli oggetti metallici utilizzando la tecnologia 3D si è rivelata più difficile. Con alcune tecniche le strutture stampate sono ancora mille volte troppo grandi per molte applicazioni avanzate, mentre con altre è impossibile fabbricare oggetti con il necessario grado di purezza.

Momotenko è specializzato nella galvanica, una branca dell'elettrochimica in cui gli ioni metallici sospesi in una soluzione salina vengono messi in contatto con un elettrodo caricato negativamente. Gli ioni caricati positivamente si combinano con gli elettroni per formare atomi metallici neutri che si depositano sull'elettrodo formando uno strato solido.

"Una soluzione salina liquida diventa un metallo solido, un processo che noi elettrochimici possiamo controllare in modo molto efficace", afferma Momotenko. Lo stesso processo viene utilizzato per la cromatura di parti di automobili e la doratura di gioielli su scala più ampia.

Tuttavia, trasferirlo su scala nanoscopica richiede notevole ingegnosità, impegno e cura, come conferma una visita al piccolo laboratorio del gruppo nel campus universitario di Wechloy. Il laboratorio contiene tre stampanti, tutte costruite e programmate dal team stesso, come sottolinea Momotenko. Come le altre stampanti 3D, sono costituite da un ugello di stampa, tubi per l'alimentazione del materiale di stampa, un meccanismo di controllo e componenti meccanici per spostare l'ugello, ma in queste stampanti tutto è un po' più piccolo del solito.

Una soluzione salina colorata scorre attraverso delicati tubi nel sottile tubo capillare, che a sua volta contiene un filo sottilissimo: l'anodo. Chiude il circuito con il catodo polarizzato negativamente, una lamella di silicio placcata in oro più piccola di un'unghia, che è anche la superficie su cui avviene la stampa. Micromotori e cristalli speciali che si trasformano istantaneamente quando viene applicata una tensione elettrica muovono rapidamente l'ugello di frazioni di millimetro in tutte e tre le direzioni spaziali.

Poiché anche le più piccole vibrazioni possono interrompere il processo di stampa, due delle stampanti sono alloggiate in scatole ricoperte da uno spesso strato di schiuma acustica di colore scuro. Inoltre, poggiano su lastre di granito, ciascuna del peso di 150 chilogrammi. Entrambe le misure mirano a prevenire vibrazioni indesiderate. Anche le lampade del laboratorio sono alimentate a batteria perché i campi elettromagnetici prodotti dalla corrente alternata proveniente da una presa interferirebbero con le minuscole correnti elettriche e tensioni necessarie per controllare il processo di nanostampa.