超小型金属物体を製造するための新しい 3D プリンティング技術

2023 年 5 月 22 日

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カール・フォン・オシエツキー著 オルデンブルク大学

化学者のドミトリー・モモテンコ氏率いる研究チームは、超小型の金属物体を製造するための新しい3Dプリンティング技術を開発した。 研究者らはこの技術を使用して、バッテリー電極の表面積を大幅に増やし、充電時間を大幅に短縮することを目指しています。

化学者のリアサン・カサノバ氏は、普通の石英ガラス管を非常に特殊な 3D プリンターの印刷ノズルに変えるのに 1 分もかかりません。 化学者は、厚さわずか 1 ミリメートルの毛細管を青い装置に挿入し、フラップを閉じてボタンを押します。 数秒後、大きな音が鳴り、ノズルは使用できる状態になります。

「装置内のレーザー光線がチューブを加熱し、チューブを引き離します。その後、引張力を突然増加させると、ガラスが真ん中で割れ、非常に鋭い先端が形成されます」と博士号取得中のカサノバ氏は説明する。 。 電気化学ナノテクノロジーグループで化学を専攻。

Khasanova と彼女の同僚は、信じられないほど小さな 3 次元金属構造を印刷するために極小のノズルを必要としています。 これは、ノズルの開口部が同様に小さくなければならないことを意味します。場合によっては、単一の分子しか押し込めないほど小さい場合もあります。 「私たちは 3D プリンティングを技術の限界まで引き上げようとしています」と化学研究所のジュニア研究グループを率いるドミトリー・モモテンコ博士は言います。 「私たちはオブジェクトを原子ごとに組み立てたいのです。」

ナノスケール 3D プリンティング、つまりサイズがわずか 10 億分の 1 メートルの物体の 3D プリンティングは、素晴らしいチャンスをもたらすと化学者は説明します。 特に金属物体については、マイクロエレクトロニクス、ナノロボティクス、センサー、バッテリー技術などの分野での数多くの応用を想定しています。 「これらの分野のあらゆる種類の用途には導電性材料が必要であるため、金属は完璧なソリューションです。」

プラスチックの 3D プリントはすでにナノスケールの寸法にまで進歩していますが、3D テクノロジーを使用して小さな金属物体を製造するのはより困難であることが判明しています。 一部の技術では、印刷された構造は多くの高度な用途にはまだ千倍も大きすぎますが、他の技術では必要な純度で物体を製造することが不可能です。

Momotenko は、塩溶液中に懸濁した金属イオンをマイナスに帯電した電極と接触させる電気化学の一部門である電気めっきを専門としています。 正に帯電したイオンは電子と結合して中性金属原子を形成し、これが電極上に堆積して固体層を形成します。

「液体の塩溶液が固体の金属になります。このプロセスは、私たち電気化学者が非常に効果的に制御できます」とモモテンコ氏は言います。 これと同じプロセスが、自動車部品のクロムメッキや宝飾品の金メッキにも大規模に使用されています。

しかし、ウェクロイのキャンパスにある同グループの小さな研究室を訪れてみればわかるように、それをナノスケールに転写するにはかなりの創意工夫、努力、注意が必要である。 Momotenko 氏が指摘するように、研究室には 3 台のプリンターがあり、すべてチーム自身によって構築およびプログラムされています。 他の 3D プリンターと同様に、印刷ノズル、印刷材料を供給するチューブ、制御機構、ノズルを動かすための機械部品で構成されていますが、これらのプリンターではすべてが通常よりも少し小型です。

着色された食塩水は、繊細なチューブを通って細い毛細管に流れ込み、毛細管には髪の毛ほどの細いワイヤー、つまり陽極が入っています。 負に分極したカソード、つまり爪より小さい金メッキのシリコンフレークで回路を閉じます。このカソードは印刷が行われる表面でもあります。 電圧が印加されると瞬時に変形するマイクロモーターと特殊な結晶が、ノズルを 3 つの空間方向すべてに 1 ミリメートルの単位で急速に動かします。