Nueva técnica de impresión 3D para fabricar objetos metálicos ultrapequeños

22 de mayo de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

verificado

publicación revisada por pares

corregir

por Carl von Ossietzky Universidad de Oldenburg

Un equipo de investigación dirigido por el químico Dmitry Momotenko ha desarrollado una nueva técnica de impresión 3D para fabricar objetos metálicos ultrapequeños. Utilizando esta técnica, los investigadores pretenden aumentar sustancialmente la superficie de los electrodos de la batería para reducir drásticamente los tiempos de carga.

A la química Liaisan Khasanova le lleva menos de un minuto convertir un tubo de vidrio de sílice común en una boquilla de impresión para una impresora 3D muy especial. El químico inserta el tubo capilar (de sólo un milímetro de espesor) en un dispositivo azul, cierra la tapa y presiona un botón. Después de unos segundos se oye un fuerte golpe y la boquilla está lista para su uso.

"Un rayo láser dentro del dispositivo calienta el tubo y lo separa. Luego, de repente, aumentamos la fuerza de tracción de modo que el vidrio se rompe por la mitad y se forma una punta muy afilada", explica Khasanova, que está trabajando en su doctorado. . en química en el Grupo de Nanotecnología Electroquímica.

Khasanova y sus colegas necesitan boquillas minúsculas para imprimir estructuras metálicas tridimensionales increíblemente pequeñas. Esto significa que las aberturas de las boquillas deben ser igualmente pequeñas; en algunos casos, tan pequeñas que sólo una molécula puede pasar. "Estamos intentando llevar la impresión 3D a sus límites tecnológicos", afirma el Dr. Dmitry Momotenko, que dirige el grupo de investigación juvenil del Instituto de Química. "Queremos ensamblar objetos átomo por átomo".

La impresión 3D a nanoescala, es decir, la impresión 3D de objetos con un tamaño de apenas unas mil millonésimas de metro, abre oportunidades asombrosas, explica el químico. En particular, para los objetos metálicos, puede imaginar numerosas aplicaciones en campos como la microelectrónica, la nanorobótica y la tecnología de sensores y baterías. "En estos ámbitos se necesitan materiales electroconductores para todo tipo de aplicaciones, por lo que los metales son la solución perfecta".

Si bien la impresión 3D de plásticos ya ha avanzado a estas dimensiones a nanoescala, la fabricación de pequeños objetos metálicos utilizando tecnología 3D ha resultado más difícil. Con algunas técnicas las estructuras impresas siguen siendo mil veces demasiado grandes para muchas aplicaciones avanzadas, mientras que con otras es imposible fabricar los objetos con el grado necesario de pureza.

Momotenko se especializa en galvanoplastia, una rama de la electroquímica en la que iones metálicos suspendidos en una solución salina se ponen en contacto con un electrodo cargado negativamente. Los iones cargados positivamente se combinan con electrones para formar átomos metálicos neutros que se depositan en el electrodo formando una capa sólida.

"Una solución salina líquida se convierte en un metal sólido, un proceso que los electroquímicos podemos controlar de forma muy eficaz", afirma Momotenko. Este mismo proceso se utiliza para cromar piezas de automóviles y bañar en oro joyas a mayor escala.

Sin embargo, trasladarlo a escala nanoscópica requiere considerable ingenio, esfuerzo y cuidado, como lo confirma una visita al pequeño laboratorio del grupo en el campus de Wechloy. El laboratorio contiene tres impresoras, todas construidas y programadas por el propio equipo, como señala Momotenko. Al igual que otras impresoras 3D, constan de una boquilla de impresión, tubos para introducir el material de impresión, un mecanismo de control y componentes mecánicos para mover la boquilla, pero en estas impresoras todo es un poco más pequeño de lo habitual.

Una solución salina coloreada fluye a través de delicados tubos hasta llegar al fino tubo capilar, que a su vez contiene un trozo de alambre fino como un cabello: el ánodo. Cierra el circuito con el cátodo polarizado negativamente, una escama de silicio bañada en oro más pequeña que una uña, que es también la superficie sobre la que se realiza la impresión. Micromotores y cristales especiales que se transforman instantáneamente cuando se aplica un voltaje eléctrico mueven rápidamente la boquilla en fracciones de milímetro en las tres direcciones espaciales.

Dado que incluso las más mínimas vibraciones pueden alterar el proceso de impresión, dos de las impresoras están alojadas en cajas cubiertas con una gruesa capa de espuma acústica de color oscuro. Además, descansan sobre placas de granito de 150 kilogramos cada una. Ambas medidas tienen como objetivo evitar vibraciones no deseadas. Las lámparas del laboratorio también funcionan con baterías porque los campos electromagnéticos producidos por la corriente alterna de un enchufe interferirían con las pequeñas corrientes y voltajes eléctricos necesarios para controlar el proceso de nanoimpresión.

Mientras tanto, Liaisan Khasanova ha preparado todo para una impresión de prueba: la boquilla de impresión está en su posición inicial, la caja está cerrada y un vial que contiene una solución de cobre de color azul claro está conectado a los tubos. Inicia un programa que inicia el proceso de impresión. Los datos de medición aparecen en una pantalla como curvas y puntos. Estos muestran las variaciones en el flujo de corriente y registran que la boquilla toca brevemente el sustrato y luego se retrae una y otra vez. ¿Qué es la máquina de impresión? "Sólo unas pocas columnas", responde.

Las columnas son las formas geométricas más simples generadas mediante impresión 3D, pero los investigadores de Oldenburg también pueden imprimir espirales, anillos y todo tipo de estructuras colgantes. Actualmente, la técnica se puede utilizar para imprimir con cobre, plata y níquel, así como con aleaciones de níquel-manganeso y níquel-cobalto.

En algunos de sus experimentos ya se han adentrado en el nanomundo. Momotenko y un equipo internacional de investigadores informaron en un estudio publicado en la revista Nano Letters en 2021 que habían producido columnas de cobre con un diámetro de solo 25 nanómetros, lo que llevó la impresión de metal 3D por debajo del límite de 100 nanómetros por primera vez.

Una de las piedras angulares de este éxito fue un mecanismo de retroalimentación que permite un control preciso de los movimientos de la boquilla de impresión. Fue desarrollado por Momotenko junto con Julian Hengsteler, Ph.D. estudiante que supervisó en su lugar de trabajo anterior, ETH Zurich en Suiza. "La retracción continua de la boquilla de impresión es de enorme importancia, porque de lo contrario se obstruiría rápidamente", explica el químico.

El equipo imprime los pequeños objetos capa por capa a velocidades de unos pocos nanómetros por segundo. A Momotenko todavía le sorprende que aquí se creen objetos demasiado pequeños para ser visibles por el ojo humano. "Se empieza con un objeto que se puede tocar. Luego se produce una determinada transformación y uno puede controlar estas cosas invisibles a una escala extremadamente pequeña; es casi increíble", dice el químico.

Los planes de Momotenko para su técnica de nanoimpresión también son bastante alucinantes. Su objetivo es sentar las bases de baterías que puedan cargarse mil veces más rápido que los modelos actuales. "Si eso fuera posible, se podría cargar un coche eléctrico en cuestión de segundos", explica. La idea básica que persigue tiene ya unos 20 años.

El principio es acortar drásticamente los recorridos de los iones dentro de la batería durante el proceso de carga. Para ello, los electrodos, actualmente planos, deberían tener una estructura superficial tridimensional. "Con el diseño actual de la batería, la carga tarda mucho porque los electrodos son relativamente gruesos y están muy separados", explica Momotenko.

La solución, afirma, es entrelazar los ánodos y cátodos como si fueran dedos a escala nanométrica y reducir la distancia entre ellos a sólo unos pocos nanómetros. Esto permitiría que los iones se movieran entre el ánodo y el cátodo a la velocidad del rayo. El problema: hasta ahora no ha sido posible producir estructuras de batería con las nanodimensiones necesarias.

Momotenko ahora ha asumido este desafío. En su proyecto NANO-3D-LION, el objetivo es desarrollar y emplear técnicas avanzadas de impresión 3D a nanoescala para fabricar materiales de baterías activas con características estructurales ultrapequeñas.

Después de haber colaborado exitosamente con un grupo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Gunther Wittstock en el Instituto de Química en un proyecto anterior, Momotenko decidió basar el proyecto en la Universidad de Oldenburg. "El Departamento de Investigación y Transferencia me ayudó mucho con mi solicitud de subvención, por eso me mudé aquí desde Zúrich a principios de 2021", explica.

Su grupo de investigación cuenta ahora con cuatro miembros: además de Khasanova, Ph.D. La estudiante Karuna Kanes y el estudiante de maestría Simon Sprengel se han unido al equipo. Kanes se centra en un nuevo método destinado a optimizar la precisión de la boquilla de impresión, mientras que Sprengel investiga la posibilidad de imprimir combinaciones de dos metales diferentes, un proceso necesario para producir material de cátodo y ánodo simultáneamente en un solo paso.

Liaisan Khasanova pronto se centrará en los compuestos de litio. Su misión será descubrir cómo se pueden estructurar mediante impresión 3D los materiales de los electrodos utilizados actualmente en las baterías de litio. El equipo planea investigar compuestos como el litio-hierro o el litio-estaño, y luego probar qué tan grandes deben ser los nano "dedos" en las superficies de los electrodos, qué espaciado es factible y cómo deben alinearse los electrodos.

Un obstáculo importante aquí es que los compuestos de litio son altamente reactivos y sólo pueden manipularse en condiciones controladas. Por este motivo, el equipo adquirió recientemente una versión extragrande de una caja de guantes de laboratorio, una cámara sellada herméticamente que se puede llenar con un gas inerte como el argón. Tiene guantes de manipulación integrados en un lado con los que los investigadores pueden manipular los objetos del interior.

La cámara, que mide unos tres metros de largo y pesa media tonelada, aún no está en funcionamiento, pero el equipo planea instalar otra impresora en su interior. "La conversión química del material y todas las demás pruebas también deberán realizarse dentro de la cámara", explica Momotenko.

El equipo se enfrentará a algunas cuestiones importantes a lo largo del proyecto. ¿Cómo afectan las pequeñas impurezas de la atmósfera de argón a las nanoestructuras de litio impresas? ¿Cómo disipar el calor que inevitablemente se genera cuando las baterías se cargan en segundos? ¿Cómo imprimir no sólo pequeñas celdas de batería sino también baterías grandes para alimentar un teléfono móvil o incluso un automóvil, en un tiempo razonable?

"Por un lado, trabajamos en la química necesaria para producir materiales de electrodos activos a nanoescala; por otro, intentamos adaptar la tecnología de impresión a estos materiales", explica Momotenko, describiendo los desafíos actuales.

El problema del almacenamiento de energía es extremadamente complejo y su equipo sólo puede desempeñar un pequeño papel en su solución, subraya el investigador. Sin embargo, ve a su grupo en una buena posición de partida: en su opinión, la impresión electroquímica de metales en 3D es actualmente la única opción viable para fabricar electrodos nanoestructurados y probar el concepto.

Además de la tecnología de baterías, el químico también trabaja en otros conceptos audaces. Quiere utilizar su técnica de impresión para producir estructuras metálicas que permitan un control más específico de las reacciones químicas de lo que es posible hasta ahora. Estos planes desempeñan un papel en un campo de investigación relativamente joven conocido como espintrónica, que se centra en la manipulación del "espín", una propiedad mecánica cuántica de los electrones.

Otra idea que espera poner en práctica es la de fabricar sensores que sean capaces de detectar moléculas individuales. "Esto sería útil en medicina, para detectar, por ejemplo, marcadores tumorales o biomarcadores del Alzheimer en concentraciones extremadamente bajas", afirma Momotenko.

Todas estas ideas siguen siendo enfoques muy nuevos en química. "Aún no está claro cómo funcionaría todo", admite. Pero así es en la ciencia. "Todo proyecto de investigación significativo requiere una larga reflexión y planificación y, al final, la mayoría de las ideas fracasan", concluye. Pero a veces no es así, y él y su equipo ya han dado los primeros pasos exitosos en su viaje.

Información de la revista:Nano letras

Proporcionado por la Universidad Carl von Ossietzky de Oldenburg