Imprimindo átomo por átomo: laboratório explora impressão 3D em nanoescala

Sep 06, 2023

16 de dezembro de 2022

pela Universidade de Oldenburg

O químico Liaisan Khasanova leva menos de um minuto para transformar um tubo de vidro de sílica comum em um bocal de impressão para uma impressora 3D muito especial. O químico insere o tubo capilar – que tem apenas um milímetro de espessura – em um dispositivo azul, fecha a tampa e aperta um botão. Após alguns segundos, ouve-se um forte estrondo e o bico está pronto para uso.

"Um feixe de laser dentro do dispositivo aquece o tubo e o separa. Então, de repente, aumentamos a força de tração para que o vidro se quebre no meio e uma ponta muito afiada se forme", explica Khasanova, que está trabalhando em seu doutorado. . em química no Grupo de Nanotecnologia Eletroquímica da Universidade de Oldenburg, Alemanha.

Khasanova e seus colegas precisam dos bicos minúsculos para imprimir estruturas metálicas tridimensionais incrivelmente minúsculas. Isso significa que as aberturas dos bocais devem ser igualmente minúsculas – em alguns casos, tão pequenas que apenas uma única molécula pode passar. "Estamos tentando levar a impressão 3D aos seus limites tecnológicos", diz o Dr. Dmitry Momotenko, que lidera o grupo de pesquisa júnior do Instituto de Química. Seu objetivo: "Queremos montar objetos átomo por átomo".

A impressão 3D em nanoescala – em outras palavras, a impressão 3D de objetos com apenas alguns bilionésimos de metro de tamanho – abre oportunidades incríveis, explica o químico. Para objetos de metal em particular, ele pode prever inúmeras aplicações em áreas como microeletrônica, nanorrobótica, tecnologia de sensores e baterias: "Materiais eletrocondutores são necessários para todos os tipos de aplicações nessas áreas, então os metais são a solução perfeita."

Embora a impressão 3D de plásticos já tenha avançado para essas dimensões em nanoescala, a fabricação de pequenos objetos de metal usando a tecnologia 3D tem se mostrado mais difícil. Com algumas técnicas, as estruturas impressas ainda são mil vezes maiores para muitas aplicações avançadas, enquanto com outras é impossível fabricar os objetos com o grau de pureza necessário.

Momotenko é especialista em galvanoplastia, um ramo da eletroquímica em que íons metálicos suspensos em uma solução salina são colocados em contato com um eletrodo carregado negativamente. Os íons carregados positivamente se combinam com os elétrons para formar átomos metálicos neutros que se depositam no eletrodo, formando uma camada sólida.

"Uma solução de sal líquido torna-se um metal sólido - um processo que nós, eletroquímicos, podemos controlar com muita eficácia", diz Momotenko. Esse mesmo processo é usado para cromagem de peças de automóveis e joias de ouro em escala maior.

No entanto, transferi-lo para a escala nanoscópica requer considerável engenhosidade, esforço e cuidado, como confirma uma visita ao pequeno laboratório do grupo no campus de Wechloy da universidade. O laboratório contém três impressoras – todas construídas e programadas pela própria equipe, como aponta Momotenko. Como outras impressoras 3D, elas consistem em um bico de impressão, tubos para alimentação do material de impressão, um mecanismo de controle e os componentes mecânicos para mover o bico - mas nessas impressoras tudo é um pouco menor do que o normal.

Uma solução salina colorida flui através de tubos delicados para o tubo capilar fino, que por sua vez contém um pedaço de fio da espessura de um fio de cabelo - o ânodo. Ele fecha o circuito com o cátodo polarizado negativamente, um floco de silício banhado a ouro menor que uma unha, que também é a superfície na qual ocorre a impressão. Micromotores e cristais especiais que se transformam instantaneamente quando uma tensão elétrica é aplicada movem rapidamente o bocal em frações de milímetro em todas as três direções espaciais.

Como até mesmo as menores vibrações podem atrapalhar o processo de impressão, duas das impressoras estão alojadas em caixas cobertas por uma espessa camada de espuma acústica de cor escura. Além disso, repousam sobre placas de granito, cada uma pesando 150 quilos. Ambas as medidas visam evitar vibrações indesejadas. As lâmpadas do laboratório também são alimentadas por bateria porque os campos eletromagnéticos produzidos pela corrente alternada de um soquete interfeririam nas minúsculas correntes e voltagens elétricas necessárias para controlar o processo de nanoimpressão.