Nueva técnica de impresión 3D para fabricar objetos metálicos ultrapequeños

Nov 02, 2023

22 de mayo de 2023

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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. Con esta técnica, los investigadores pretenden aumentar sustancialmente el área de superficie de los electrodos de la batería para reducir drásticamente los tiempos de carga.

La química Liaisan Khasanova tarda menos de un minuto en convertir un tubo de vidrio de sílice normal en una boquilla de impresión para una impresora 3D muy especial. El químico inserta el tubo capilar, que tiene solo un milímetro de grosor, en un dispositivo azul, cierra la tapa y presiona un botón. Después de unos segundos, se escucha un fuerte golpe y la boquilla está lista para usar.

"Un rayo láser dentro del dispositivo calienta el tubo y lo separa. Luego, repentinamente aumentamos la fuerza de tracción para que el vidrio se rompa en el medio y se forme una punta muy afilada", explica Khasanova, quien está trabajando en su doctorado. . en química en el Grupo de Nanotecnología Electroquímica.

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

La impresión 3D a nanoescala, en otras palabras, la impresión 3D de objetos que tienen un tamaño de unas pocas mil millonésimas de metro, abre oportunidades increíbles, explica el químico. Para objetos metálicos en particular, puede prever numerosas aplicaciones en áreas como la microelectrónica, la nanorobótica, la tecnología de sensores y baterías. “Se necesitan materiales electroconductores para todo tipo de aplicaciones en estas áreas, 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 de metal 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 de pureza necesario.

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

"Una solución de sal líquida se convierte en un metal sólido, un proceso que nosotros, los electroquímicos, podemos controlar de manera muy efectiva", dice Momotenko. Este mismo proceso se utiliza para el cromado de piezas de automóviles y el dorado de joyas a mayor escala.

Sin embargo, transferirlo a la escala nanoscópica requiere un ingenio, esfuerzo y cuidado considerables, 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, consisten en una boquilla de impresión, tubos para alimentar el material de impresión, un mecanismo de control y los 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 hacia el delgado tubo capilar, que a su vez contiene un alambre delgado como un cabello: el ánodo. Cierra el circuito con el cátodo polarizado negativamente, una escama de silicio chapada 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 vibraciones más leves pueden interrumpir el proceso de impresión, dos de las impresoras están alojadas en cajas cubiertas con una capa gruesa de espuma acústica de color oscuro. Además, descansan sobre placas de granito, cada una de 150 kilogramos de peso. Ambas medidas están encaminadas a 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 diminutas corrientes eléctricas y los voltajes necesarios para controlar el proceso de nanoimpresión.

Mientras tanto, Liaisan Khasanova ha preparado todo para una prueba de impresión: la boquilla de impresión está en su posición inicial, la caja está cerrada, un vial que contiene una solución de cobre azul claro está conectado a los tubos. Ella 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. ¿Cuál es la impresión de la máquina? "Solo unas pocas columnas", responde ella.

Las columnas son las formas geométricas más simples generadas en la 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 3D de metal 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. Momotenko todavía encuentra sorprendente que aquí se creen objetos demasiado pequeños para ser visibles al ojo humano. "Empiezas con un objeto que puedes tocar. Luego se produce una cierta transformación y eres capaz de 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 unas baterías que puedan cargarse mil veces más rápido que los modelos actuales. "Si eso se puede lograr, podrías cargar un auto eléctrico en segundos", explica. La idea básica que persigue tiene ya unos 20 años.

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

La solución, dice, es entrelazar los ánodos y cátodos como si fueran dedos a nanoescala y reducir la distancia entre ellos a unos pocos nanómetros. Esto permitiría que los iones se muevan 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 requeridas.

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.

Habiendo colaborado con éxito 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, así que me mudé aquí desde Zúrich a principios de 2021", explica.

Su grupo de investigación ahora tiene 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 enfoca 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 averiguar cómo se pueden estructurar mediante impresión 3D los materiales de los electrodos que se utilizan 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 espacio es factible y cómo deben alinearse los electrodos.

Un obstáculo importante aquí es que los compuestos de litio son altamente reactivos y solo pueden manipularse en condiciones controladas. Por este motivo, el equipo adquirió recientemente una versión extragrande de una guantera 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 que hay dentro.

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 llevarse a cabo dentro de la cámara", explica Momotenko.

El equipo se enfrentará a algunas preguntas importantes en el transcurso del proyecto. ¿Cómo afectan las pequeñas impurezas dentro 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 solo celdas de batería diminutas sino también baterías grandes para alimentar un teléfono móvil o incluso un automóvil, en un tiempo razonable?

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

El problema del almacenamiento de energía es extremadamente complejo y su equipo solo puede desempeñar un pequeño papel para resolverlo, enfatiza el investigador. No obstante, ve a su grupo en una buena posición de partida: en su opinión, la impresión 3D electroquímica de metales es actualmente la única opción viable para fabricar electrodos nanoestructurados y probar el concepto.

Además de la tecnología de baterías, el químico también está trabajando 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. Dichos planes juegan 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 fabricar sensores que puedan detectar moléculas individuales. "Eso sería útil en medicina, para detectar marcadores tumorales o biomarcadores para el Alzheimer en concentraciones extremadamente bajas, por ejemplo", dice Momotenko.

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

Información del diario:Nano letras

Proporcionado por la Universidad Carl von Ossietzky de Oldenburg