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新(xīn)型纳米金属青岛3D打印技术?这个科(kē)學(xué)了新(xīn)突破
发布时间:2023-05-23    浏览人次:300次
青岛3D打印技术,用(yòng)于制造超小(xiǎo)型金属物(wù)體(tǐ)。 使用(yòng)这种技术,研究人员的目标是大幅增加電(diàn)池電(diàn)极的表面积,以大幅减少充電(diàn)时间。



化學(xué)家 Liaisan Khasanova 用(yòng)了不到一分(fēn)钟的时间就将一根普通的二氧化硅玻璃管变成了非常特殊的3D打印机的打印喷嘴。 化學(xué)家将只有(yǒu)一毫米厚的毛细管插入蓝色装置中,关闭翻盖并按下按钮。 几秒(miǎo)钟后,会发出一声巨响,喷嘴就可(kě)以使用(yòng)了。

“设备内部的激光束加热管子并将其分(fēn)开。然后我们突然增加拉伸力,这样玻璃就会在中间破裂,形成一个非常锋利的尖端,”正在電(diàn)化學(xué)纳米技术小(xiǎo)组攻读化學(xué)博士學(xué)位的Khasanova解释说。

Khasanova 和她的同事需要微型喷嘴来打印极其微小(xiǎo)的三维金属结构。 这意味着喷嘴的开口必须同样微小(xiǎo)——在某些情况下小(xiǎo)到只有(yǒu)一个分(fēn)子可(kě)以挤出。 “我们正在努力将3D打印技术发挥到极致,”化學(xué)研究所初级研究小(xiǎo)组的负责人 Dmitry Momotenko 博士说。 “我们想要一个原子一个原子地组装物(wù)體(tǐ)。”

“金属是完美的解决方案”

这位化學(xué)家解释说,纳米级3D打印——换句话说,3D 打印尺寸仅為(wèi)十亿分(fēn)之一米的物(wù)體(tǐ)——带来了惊人的机会。 特别是对于金属物(wù)體(tǐ),他(tā)可(kě)以设想在微電(diàn)子、纳米机器人、传感器和電(diàn)池技术等领域的众多(duō)应用(yòng)。 “这些领域的各种应用(yòng)都需要导電(diàn)材料,因此金属是完美的解决方案。”

虽然塑料的3D打印已经发展到这些纳米级尺寸,但事实证明使用(yòng)3D技术制造微小(xiǎo)的金属物(wù)體(tǐ)更加困难。 对于许多(duō)高级应用(yòng)来说,使用(yòng)某些技术打印出的结构仍然大了一千倍,而使用(yòng)其他(tā)技术则不可(kě)能(néng)制造出具有(yǒu)必要纯度的物(wù)體(tǐ)。

Momotenko 专门研究電(diàn)镀,这是電(diàn)化學(xué)的一个分(fēn)支,其中悬浮在盐溶液中的金属离子与带负電(diàn)的電(diàn)极接触。 带正電(diàn)的离子与電(diàn)子结合形成中性金属原子,沉积在電(diàn)极上,形成固體(tǐ)层。

“液态盐溶液变成固态金属——我们電(diàn)化學(xué)家可(kě)以非常有(yǒu)效地控制这一过程,”Momotenko 说。 同样的工艺被用(yòng)于更大规模的镀铬汽車(chē)零件和镀金珠宝。

比平时小(xiǎo)一点

然而,将其转移到纳米尺度需要相当多(duō)的独创性、努力和细心,参观该小(xiǎo)组位于 Wechloy 校區(qū)的小(xiǎo)型实验室证实了这一点。 正如 Momotenko 指出的那样,该实验室包含三台打印机——全部由团队自行构建和编程。 与其他(tā)3D打印机一样,它们由打印喷嘴、打印材料进料管、控制机构和移动喷嘴的机械部件组成——但在这些打印机中,一切都比平常小(xiǎo)一些。

彩色盐水溶液通过精密的管子流入细毛细管,毛细管又(yòu)包含一根发丝般细的金属丝——阳极。 它用(yòng)负极化的阴极闭合電(diàn)路,这是一种比指甲还小(xiǎo)的镀金硅片,也是进行印刷的表面。 当施加電(diàn)压时,微電(diàn)机和特殊晶體(tǐ)会瞬间变形,从而使喷嘴在所有(yǒu)三个空间方向上快速移动几分(fēn)之一毫米。

不需要的振动

由于即使是最轻微的振动也会中断打印过程,因此其中两台打印机被安置在盒子里,盒子上覆盖着一层厚厚的深色隔音泡沫。 此外,它们搁在花(huā)岗岩板上,每个重达150公斤。 这两项措施都旨在防止不必要的振动。 实验室中的灯也是電(diàn)池供電(diàn)的,因為(wèi)插座交流電(diàn)产生的電(diàn)磁场会干扰控制纳米印刷过程所需的微小(xiǎo)電(diàn)流和電(diàn)压。

与此同时,Liaisan Khasanova 已经為(wèi)测试打印做好了一切准备:打印喷嘴处于起始位置,盒子已关闭,装有(yǒu)浅蓝色铜溶液的小(xiǎo)瓶连接到管子上。 她启动了一个启动打印过程的程序。 测量数据在屏幕上显示為(wèi)曲線(xiàn)和点。 这些显示了電(diàn)流的变化,并记录了喷嘴短暂接触基板然后一次又(yòu)一次缩回的情况。 什么是机印? “只有(yǒu)几列,”她回答(dá)道。

深入纳米世界

柱子是3D打印中生成的最简单的几何形状,但奥尔登堡的研究人员还可(kě)以打印螺旋、环和各种悬垂结构。 该技术目前可(kě)用(yòng)于印刷铜、银和镍,以及镍锰和镍钴合金。

在他(tā)们的一些实验中,他(tā)们已经深入纳米世界。 Momotenko 和一个國(guó)际研究团队在 2021 年发表在《纳米快报》(Nano Letters) 杂志(zhì)上的一项研究中报告说,他(tā)们已经生产出直径仅為(wèi) 25 纳米的铜柱——这使3D金属打印首次低于100纳米的极限。

这一成功的基石之一是能(néng)够精确控制打印喷嘴运动的反馈机制。 它由 Momotenko 与博士 Julian Hengsteler 共同开发。 他(tā)在以前的工作地点瑞士苏黎世联邦理(lǐ)工學(xué)院监督學(xué)生。 “打印喷嘴的连续缩回非常重要,否则它会很(hěn)快被堵塞,”化學(xué)家解释道。

如何控制隐形

该团队以每秒(miǎo)几纳米的速度逐层打印微小(xiǎo)物(wù)體(tǐ)。 Momotenko 仍然对在这里创造出人眼看不到的小(xiǎo)物(wù)體(tǐ)感到惊讶。 “你从一个你可(kě)以触摸到的物(wù)體(tǐ)开始。然后发生某种转变,你能(néng)够在极小(xiǎo)的范围内控制这些看不见的东西——这几乎令人难以置信,”这位化學(xué)家说。

Momotenko 的纳米打印技术计划也令人难以置信。 他(tā)的目标是為(wèi)充電(diàn)速度比现有(yǒu)型号快一千倍的電(diàn)池奠定基础。 “如果能(néng)够实现,你可(kě)以在几秒(miǎo)钟内為(wèi)電(diàn)动汽車(chē)充電(diàn),”他(tā)解释道。 他(tā)追求的基本理(lǐ)念已经有(yǒu) 20 年左右的历史了。

其原理(lǐ)是在充電(diàn)过程中大幅缩短電(diàn)池内部离子的路径。 為(wèi)此,目前扁平的電(diàn)极必须具有(yǒu)三维表面结构。 “在目前的電(diàn)池设计中,充電(diàn)需要很(hěn)長(cháng)时间,因為(wèi)電(diàn)极相对较厚且相距较遠(yuǎn),”Momotenko 解释道。

他(tā)说,解决方案是在纳米尺度上像手指一样将阳极和阴极互锁起来,并将它们之间的距离减小(xiǎo)到仅几纳米。 这将允许离子以闪電(diàn)般的速度在阳极和阴极之间移动。 问题是:到目前為(wèi)止,还不可(kě)能(néng)生产出具有(yǒu)所需纳米尺寸的電(diàn)池结构。

制造具有(yǒu)超小(xiǎo)结构特征的電(diàn)池材料

Momotenko 现在接受了这一挑战。 在他(tā)的 NANO-3D-LION 项目中,目标是开发和采用(yòng)先进的纳米级3D打印技术来制造具有(yǒu)超小(xiǎo)结构特征的活性電(diàn)池材料。

在早期项目中与化學(xué)研究所 Gunther Wittstock 教授领导的研究小(xiǎo)组成功合作后,Momotenko 决定在奥尔登堡大學(xué)开展该项目。 “研究和转移部对我的资助申请非常有(yǒu)帮助,所以我在 2021 年初从苏黎世搬到了这里,”他(tā)解释道。

他(tā)的研究小(xiǎo)组现在有(yǒu)四名成员:除了 Khasanova,博士。 學(xué)生 Karuna Kanes 和硕士生 Simon Sprengel 加入了团队。 Kanes 专注于一种旨在优化打印喷嘴精度的新(xīn)方法,而 Sprengel 研究了打印两种不同金属组合的可(kě)能(néng)性——这是在一个步骤中同时生产阴极和阳极材料所必需的过程。

Liaisan Khasanova 很(hěn)快将专注于锂化合物(wù)。 她的任務(wù)是找出如何使用(yòng)3D打印构建目前用(yòng)于锂電(diàn)池的電(diàn)极材料。 该团队正计划研究锂铁或锂锡等化合物(wù),然后测试電(diàn)极表面的纳米“指状物(wù)”需要多(duō)大,间距是多(duō)少是可(kě)行的,以及電(diàn)极应该如何排列。

“手套箱”中的研究

这里的一个主要障碍是锂化合物(wù)具有(yǒu)高反应性,只能(néng)在受控条件下处理(lǐ)。 出于这个原因,该团队最近获得了一个超大版本的实验室手套箱,这是一个气密密封室,可(kě)以充满惰性气體(tǐ),如氩气。 它的一侧内置了操作手套,研究人员可(kě)以用(yòng)它来操作里面的物(wù)體(tǐ)。

该室長(cháng)约三米,重半吨,尚未投入使用(yòng),但该团队计划在其中安装另一台打印机。 “材料的化學(xué)转化和所有(yǒu)其他(tā)测试也必须在室内进行,”Momotenko 解释道。

团队在项目过程中会遇到一些主要问题。 氩气氛中的微小(xiǎo)杂质如何影响印刷的锂纳米结构? 電(diàn)池在秒(miǎo)级充電(diàn)时不可(kě)避免地产生的热量如何散热? 如何在合理(lǐ)的时间内不仅打印微型電(diàn)池而且打印大電(diàn)池来為(wèi)手机甚至汽車(chē)供電(diàn)?

“一方面,我们正在研究生产纳米级活性電(diàn)极材料所需的化學(xué)方法;另一方面,我们正在努力使印刷技术适应这些材料,”Momotenko 概述了当前的挑战。

储能(néng)问题复杂

研究人员强调,储能(néng)问题极其复杂,他(tā)的团队在解决它方面只能(néng)发挥很(hěn)小(xiǎo)的作用(yòng)。 尽管如此,他(tā)认為(wèi)他(tā)的团队处于一个良好的起点:在他(tā)看来,金属的電(diàn)化學(xué)3D打印是目前制造纳米结构電(diàn)极和测试该概念的唯一可(kě)行选择。

除了電(diàn)池技术,这位化學(xué)家还在研究其他(tā)大胆的概念。 他(tā)想使用(yòng)他(tā)的印刷技术来生产金属结构,从而比迄今為(wèi)止更有(yǒu)针对性地控制化學(xué)反应。 这些计划在一个相对年轻的研究领域发挥作用(yòng),称為(wèi)自旋電(diàn)子學(xué),该领域专注于“自旋”的操纵——電(diàn)子的一种量子力學(xué)特性。

检测单个分(fēn)子的传感器

他(tā)希望付诸实践的另一个想法是制造能(néng)够检测单个分(fēn)子的传感器。 “这将有(yǒu)助于医學(xué),例如,在极低浓度下检测肿瘤标志(zhì)物(wù)或阿尔茨海默氏症的生物(wù)标志(zhì)物(wù),”Momotenko 说。

所有(yǒu)这些想法在化學(xué)中仍然是非常新(xīn)的方法。 “目前还不清楚这一切将如何运作,”他(tā)承认道。 但这就是科(kē)學(xué)上的情况。 “每一个有(yǒu)意义的研究项目都需要長(cháng)时间的思考和计划,而最终大多(duō)数想法都会失败,”他(tā)总结道。 但有(yǒu)时他(tā)们不会——他(tā)和他(tā)的团队已经迈出了他(tā)们旅程的第一步。