원자 단위로 인쇄하기: 연구실에서 나노스케일 3D 인쇄 탐구

Sep 06, 2023

2022년 12월 16일

올덴부르크 대학교

화학자 Liaisan Khasanova가 일반 실리카 유리 튜브를 매우 특별한 3D 프린터용 인쇄 노즐로 바꾸는 데는 1분도 채 걸리지 않습니다. 화학자는 두께가 1mm에 불과한 모세관을 파란색 장치에 삽입하고 덮개를 닫은 다음 버튼을 누릅니다. 몇 초 후에 큰 소리가 나고 노즐을 사용할 준비가 됩니다.

"장치 내부의 레이저 빔이 튜브를 가열하여 분리합니다. 그런 다음 갑자기 인장력을 증가시켜 유리가 가운데에서 깨지고 매우 날카로운 끝이 형성됩니다."라고 박사 과정에 있는 Khasanova는 설명합니다. . 독일 올덴부르크 대학교 전기화학 나노기술 그룹에서 화학 박사 학위를 취득했습니다.

Khasanova와 그녀의 동료들은 믿을 수 없을 만큼 작은 3차원 금속 구조물을 프린팅하기 위해 아주 작은 노즐이 필요합니다. 이는 노즐의 구멍이 똑같이 작아야 함을 의미합니다. 어떤 경우에는 단일 분자만 통과할 수 있을 정도로 작아야 합니다. "우리는 3D 프린팅을 기술적 한계까지 끌어올리려고 노력하고 있습니다"라고 화학 연구소의 하위 연구 그룹을 이끄는 Dmitry Momotenko 박사는 말합니다. 그의 목표는 "우리는 물체를 원자 단위로 조립하고 싶다"입니다.

나노스케일 3D 프린팅, 즉 크기가 수십억분의 1미터에 불과한 물체의 3D 프린팅은 놀라운 기회를 열어준다고 화학자는 설명합니다. 특히 금속 물체의 경우 그는 마이크로전자공학, 나노로봇공학, 센서 및 배터리 기술과 같은 분야에서 수많은 응용을 구상할 수 있습니다. "이 분야의 모든 응용 분야에는 전기전도성 재료가 필요하므로 금속이 완벽한 솔루션입니다."

플라스틱의 3D 프린팅은 이미 이러한 나노 규모 수준으로 발전했지만, 3D 기술을 사용하여 작은 금속 물체를 제조하는 것은 더 어려운 것으로 입증되었습니다. 일부 기술을 사용하면 인쇄된 구조가 많은 고급 응용 분야에 비해 여전히 1000배나 크며, 다른 기술을 사용하면 필요한 순도를 갖춘 물체를 제작하는 것이 불가능합니다.

Momotenko는 염 용액에 부유하는 금속 이온이 음전하를 띤 전극과 접촉하게 되는 전기화학 분야인 전기도금을 전문으로 합니다. 양전하를 띤 이온은 전자와 결합하여 중성 금속 원자를 형성하고, 이 원자는 전극에 침착되어 고체층을 형성합니다.

"액체 염 용액은 고체 금속이 됩니다. 우리 전기화학자들은 이 과정을 매우 효과적으로 제어할 수 있습니다."라고 Momotenko는 말합니다. 이 동일한 공정은 크롬 도금 자동차 부품 및 금 도금 보석에 더 큰 규모로 사용됩니다.

그러나 이를 나노 수준으로 옮기려면 대학의 Wechloy 캠퍼스에 있는 그룹의 소규모 실험실을 방문하여 확인한 것처럼 상당한 독창성, 노력 및 주의가 필요합니다. 연구실에는 세 대의 프린터가 있는데, Momotenko가 지적했듯이 모두 팀 자체에서 제작하고 프로그래밍했습니다. 다른 3D 프린터와 마찬가지로 인쇄 노즐, 인쇄 재료 공급을 위한 튜브, 제어 메커니즘 및 노즐 이동을 위한 기계적 구성 요소로 구성되어 있지만 이 프린터의 모든 것이 평소보다 약간 작습니다.

착색된 식염수 용액이 섬세한 튜브를 통해 얇은 모세관으로 흘러 들어가고, 여기에는 머리카락처럼 얇은 와이어 조각인 양극이 들어 있습니다. 이는 인쇄가 이루어지는 표면이기도 한 손톱보다 작은 금도금 실리콘 조각인 음극 극성 음극으로 회로를 닫습니다. 전압이 가해지면 순간적으로 변형되는 마이크로모터와 특수 결정체는 세 공간 방향 모두에서 1밀리미터 단위로 노즐을 빠르게 움직입니다.

아주 작은 진동이라도 인쇄 과정을 방해할 수 있으므로 두 대의 프린터는 두꺼운 어두운 색상의 흡음재로 덮인 상자에 보관됩니다. 게다가 그들은 각각 150kg의 무게가 나가는 화강암 판 위에 놓여 있습니다. 두 가지 조치 모두 원치 않는 진동을 방지하는 데 목적이 있습니다. 소켓의 교류에 의해 생성된 전자기장이 나노프린팅 프로세스를 제어하는 ​​데 필요한 작은 전류와 전압을 방해하기 때문에 연구실의 램프도 배터리로 구동됩니다.