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原子尺寸的3D打印技術將電化學制造帶入納米級

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-12-27     來源:中國科學報     瀏覽次數:3304
原子級的3D打印
 
       近日,一位來自德國歐登堡大學的化學家Dmitry Momotenko就利用一種新3D打印技術制造出尺寸達納米級別的超小金屬物體,在電化學3D打印領域設立了一個新的基準。他與來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和新加坡南洋理工大學的一組研究人員在《納米快報》上發表的相關研究報告稱,該技術在微電子學、傳感器技術和電池技術方面有潛在的應用前景。該團隊已經開發出一種電化學技術,可以用直徑僅為25納米的銅制造物體。作為對比,人類的頭發大約是金銀絲納米結構的3000倍厚。

       這種新打印技術是建立在相對簡單和眾所周知的電鍍工藝基礎上的。在電鍍中,帶正電的金屬離子懸浮在溶液中。當液體與帶負電荷的電極接觸時,金屬離子與電極中的電子結合形成中性金屬原子,沉積在電極上,逐漸形成固體金屬層。

       “在這個過程中,固體金屬是從液態鹽溶液中制造出來的,電化學家可以非常有效地控制這個過程。”Momotenko說。在這種納米打印技術中,他在一個微小的吸管中使用了一種帶正電的銅離子溶液。液體從移液管的頂端通過打印噴嘴流出。在實驗中,噴嘴開口的直徑在253到1.6納米之間。只有兩個銅離子可以同時通過這么小的開口。

       在3D打印中,科學家面臨的最大挑戰是,隨著金屬層的增長,打印噴嘴的開口往往會堵塞。為了防止這種情況的發生,研究小組開發了一種監測印刷過程的技術。他們記錄了吸管內帶負電荷的襯底電極和正極之間的電流,然后在一個完全自動化的過程中調整噴嘴的移動:噴嘴在極短的時間內接近負極,一旦金屬層超過一定厚度,噴嘴就縮回。

       利用這種技術,研究人員逐漸將一層又一層的銅層涂到電極表面。由于噴嘴的精確定位,他們能夠打印垂直柱和傾斜或螺旋的納米結構,甚至可以通過簡單地改變打印方向來打印水平結構。

       他們還能夠非常精確地控制結構的直徑。首先,通過選擇打印噴嘴的大小,其次在實際打印過程中基于電化學參數。研究小組表示,使用這種方法可以打印出的最小物體直徑約為25納米,這相當于195個銅原子排成一排。

       這意味著有了新的電化學技術,可以打印出比以前小得多的金屬物體。例如,利用金屬粉末進行3D打。ㄒ环N典型的金屬3D打印方法),目前可以達到大約100微米的分辨率。因此,用這種方法可以制造出的最小物體比目前研究中的要大4000倍。

       雖然更小的結構也可以用其他技術生產,但潛在材料的選擇是有限的。“我們正在研究的技術結合了金屬印刷和納米級精度。”Momotenko解釋說,正如3D打印引發了一場生產復雜的大型部件的革命,微型和納米級的增材制造可以制造功能結構,甚至是超小尺寸的設備。

       “3D打印催化劑具有高表面積和特殊的幾何形狀,允許特定的反應活性,可用于生產復雜的化學品。”Momotenko補充說,三維電極可以提高電能儲存的效率。他和團隊目前正朝著這個目標努力,通過3D打印大幅增加鋰離子電池中電極的表面積,減少負極和負極之間的距離,以加快充電過程。
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