纳米级3D打印越来越接近现实
纳米级 3D 打印是 3D 打印以纳米为单位测量的物体的能力。例如，1 毫米中有 1,000,000 纳米。为了更好地了解大小或缺乏大小，我们应该参考一根头发的大小，其直径为 75,000-100,000 纳米。
探索纳米级 3D 打印
这种微型主机包含一系列潜在的行业颠覆性产品，从较小的计算机芯片和 1 pc 印刷计算机板到让电池更快充电/放电能力的纳米级金属部件。
这一突破既可以提高效率，也可以提高较小零件的生产率。
微电子、纳米机器人和传感器技术等行业将受益于在不影响准确性的情况下在这种纳米尺度上进行创造的能力。目前，美国各地的大学正在研究不同的纳米级打印方法，同时保持各自行业所需的精度。
其中一些研究所专注于电子技术的进步，而其他研究所则着眼于利用光化学反应（包括蛋白质、聚糖或基因的固定）的纳米印刷方法。
纳米级打印的合成材料和塑料长期以来受益于这种尺寸的打印能力，只是在之前的 2-3 年里，科学家们才在将金属物体精确打印到这种尺寸方面取得了突破。
这种规模的 3D 打印金属使科学家能够逐个原子地组装物体。
纳米级3D打印解决方案
领导化学研究所初级研究小组的Dmitry Momotenko 博士相信，这项技术将使他的团队能够以比当前竞争技术快 1000 倍的速度充电和放电的 3D 打印电池。他的一些陈述包括：“如果今天能够实现，电动汽车可以在几秒钟内充电”。
目标是以指数方式缩短电池单元中离子之间的路径。纳米级 3D 打印将允许他的团队重新审视这个 20 年前的想法，希望能够以一种允许电子一次通过整个电池的方式 3D 打印电池的内部结构，而不是必须通过一个细胞的一侧到另一侧。
凭借精确打印小至 25 微米的金属结构的能力，纳米机器人（纳米级微芯片）和微电子技术都将同样受益于这项技术。
纳米级 3D 打印机技术
奥尔登堡大学的化学家 Liaisan Khasanova 的任务是制造纳米级打印所需的专用喷嘴头。从一根普通的石英玻璃管开始，一根 1 毫米厚的毛细管插入蓝色液体。一旦通电，就会发生反应，发出一声巨响。然后移除管子，露出一个足够小的孔以满足他们的要求。“设备内部的激光束加热管子并将其拉开。然后我们突然增加张力，使玻璃在中间破裂并形成非常尖锐的尖端，”正在攻读博士学位的 Khasanova 解释道。德国奥尔登堡大学电化学纳米技术组化学专业。
在大学的Wechloy校区，该实验室配备了 3 台打印机，这些打印机是按照严格的标准在内部制造和编程的。在概念上类似于当今的消费类 3D 打印机，但有一个小区别——尺寸。
这些打印机专注于准确性，利用铺有泡沫的大型花岗岩底座来帮助减少打印过程中产生的振动。这些步骤有助于精确控制 3D 打印机，从而在更小的尺度上实现更高的精度。传统的粉末金属 3D 打印机只能达到微米级的分辨率，尺寸相差 1000 倍。
打印机的环境也被考虑在内，由于电磁干扰，该团队已考虑到实验室中的灯光。他们使用电池供电的灯来帮助隔离交流电产生的电磁场。
金属纳米结构概览
由于缺乏强度和较低的耐热性，纳米级印刷塑料分子很容易被加工成结构形状。塑料的可延展性使科学家能够将塑料加工成更小的形状。这种易用性导致了印刷技术的大部分最新进展。
相比之下，金属纳米级 3D 打印需要更严格的公差和更高的耐热性和耐磨性。这些打印机需要最近的进步，从改进的打印算法到重新发明的打印机技巧，以实现小而准确的打印。
目前，该团队能够使用铜、银、镍、镍锰和镍钴合金。Momotenko 博士和一组研究人员成功地制造了 25 纳米或 195 个铜原子大小的铜螺旋柱，作为他们在 2021 年纳米技术杂志上发表的研究的一部分。利用 Momotenko 博士和他的同事 Julian Hengsteler 创造的一种方法，反馈机制与挤出头结合使用，以调节防止喷嘴在印刷中期凝固所需的回缩过程。印刷品以每秒几纳米的速度一次形成一层。
3D 打印纳米级铜柱。照片归功于Nano Letters。
时间就是生命
打印扁平螺旋物体有助于电池存储和生产的进步。它以一种允许质子快速均匀地通过电池的方式控制纳米结构。这导致增强的电池充电速率和放电速率。
这将有利于依赖储能的行业，从 EV 电池到离网家庭，或数据服务器场的存储需求，这些服务器场永远不会因电网故障而离线。
先来的风险
为了降低与锂离子电池生产相关的风险，专门的密封室充满了正压惰性氩气。尺寸适合在惰性环境中容纳打印机，腔室长 10 英尺，重近 1000 磅。
当电池充满电时，电池将如何管理其反应产生的热量？“一方面，我们正在研究生产纳米级活性电极材料所需的化学方法；另一方面，我们正在努力使印刷技术适应这些材料，”Momotenko 博士说。
然后是进步
依靠现有的电镀技术，他们能够采用这种方法（带正电的铜离子在盐溶液中带负电的电极）。与目前仅限于微米的基于粉末的 3D 打印机相比，该团队开发的挤压尖端使他们能够在纳米级进行 3D 打印。
电池技术只是第一个用例，Momotenko 博士还有其他大胆的概念。他计划利用这种印刷技术来利用一个名为自旋电子学的年轻领域，该领域的目标是操纵“自旋”的能力——电子的一种量子力学特性。
他还计划制造能够检测单个分子的传感器。这将有助于检测阿尔茨海默氏症，它以其少量的生物标志物而臭名昭著。
即使在开发了这项技术之后，该团队仍然对能够创造出人眼在没有帮助的情况下无法看到的物体的能力感到敬畏。
