【科研进展】将电化学3D打印带入纳米尺度,生产复杂的金属物体成为可能

2021-12-29 09:35啸云3D打印
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一种新的 3D 打印技术使在纳米尺度上生产复杂的金属物体成为可能。由奥尔登堡大学的一位科学家领导的化学家团队开发了一种电化学技术,可用于用铜制造直径仅为 25 纳米的物体。

该团队在说这项新技术基于众所周知的电镀工艺。

新的 3D 打印技术可用于生产各种极小的金属物体。带正电的铜离子溶液从一个微小的移液管中流出。当液体与电极接触时,会形成固体金属。

近年来,3D 打印,也称为增材制造,已成为用于各种组件的有前途的新制造工艺。奥尔登堡大学的化学家现在已经成功地使用新的 3D 打印技术制造了超小型金属物体。

在与苏黎世联邦理工学院(瑞士)和南洋理工大学(新加坡)的一组研究人员发表的论文中,他报告说该技术在微电子、传感器技术和电池技术方面具有潜在应用。

该团队开发了一种电化学技术,可用于用铜制造直径仅为十亿分之一米(相当于 25 纳米)的物体。相比之下,人的头发比丝状纳米结构厚约 3000 倍。

新的印刷技术基于相对简单和众所周知的电镀工艺。在电镀中,带正电的金属离子悬浮在溶液中。当液体与带负电的电极接触时,金属离子与电极中的电子结合形成中性金属原子,然后沉积在电极上并逐渐形成固体金属层。

在这个过程中,固体金属是由液体盐溶液制成的——我们电化学家可以非常有效地控制这个过程。研究人员说。

在他的纳米打印技术中,他使用了带正电的铜离子溶液在一个微小的移液管中。液体通过打印喷嘴从移液管的尖端喷出。在该团队的实验中,喷嘴开口的直径在 253 到 1.6 纳米之间。只有两个铜离子可以同时通过如此微小的开口。

科学家面临的最大挑战是,随着金属层的增长,打印喷嘴的开口往往会被堵塞。为了防止这种情况,该团队开发了一种技术来监控打印过程的进度。

他们记录了带负电的基板电极和移液管内正极之间的电流,然后在全自动过程中相应地调整喷嘴的运动:喷嘴在很短的时间内接近负极,然后立即缩回因为金属层已经超过了一定的厚度。使用这种技术,研究人员逐渐将一层一层的铜层施加到电极表面。

由于喷嘴的极其精确的定位,他们能够打印垂直列和倾斜或螺旋纳米结构,甚至通过简单地改变打印方向就可以产生水平结构。

他们还能够非常精确地控制结构的直径——首先通过选择打印喷嘴尺寸,其次在实际打印过程中基于电化学参数。据该团队称,使用这种方法可以打印的最小物体的直径约为 25 纳米,相当于连续 195 个铜原子。

这意味着使用新的电化学技术可以打印比以前打印的金属物体小得多的金属物体。例如,使用金属粉末的 3D 打印——一种典型的金属 3D 打印方法——目前可以达到约 100 微米的分辨率。

因此,使用这种方法可以生产的最小物体比当前研究中的物体大 4,000 倍。尽管可以使用其他技术生产更小的结构,但潜在材料的选择是有限的。

我们正在研究的技术结合了两个领域——金属打印和纳米级精度。研究人员解释说,正如 3D 打印引发了生产复杂大型组件的革命一样,微米和纳米级的增材制造可以制造功能性结构甚至超小尺寸的设备。

具有高表面积和特殊几何形状的 3D 打印催化剂可以用于生产复杂的化学品,三维电极可以使电能存储更有效。

这位化学家和他的团队目前正朝着这个目标努力:在他们的 NANO-3D-LION 项目中,他们的目标是通过 3D 打印大幅增加电极的表面积并减少锂离子电池中阴极和阳极之间的距离,在以加快充电过程。



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