Nieuwe 3D-printtechniek voor het vervaardigen van ultrakleine metalen voorwerpen

Een onderzoeksteam onder leiding van chemicus Dmitry Momotenko heeft een nieuwe 3D-printtechniek ontwikkeld voor het vervaardigen van ultrakleine metalen voorwerpen. Met deze techniek willen de onderzoekers het oppervlak van batterij-elektroden substantieel vergroten om de laadtijden drastisch te verkorten.

Het kost scheikundige Liaisan Khasanova minder dan een minuut om een ​​gewone buis van silicaglas te veranderen in een printkop voor een heel speciale 3D-printer. De chemicus steekt het capillaire buisje – dat slechts een millimeter dik is – in een blauw apparaatje, sluit het klepje en drukt op een knop. Na enkele seconden klinkt er een luide knal en is het mondstuk klaar voor gebruik.

“Een laserstraal in het apparaat verwarmt de buis en trekt hem uit elkaar. Dan verhogen we plotseling de trekkracht zodat het glas in het midden breekt en er een zeer scherpe punt ontstaat”, legt Khasanova uit, die aan haar doctoraat werkt. . in de chemie in de Electrochemical Nanotechnology Group.

Khasanova en haar collega’s hebben de minuscule spuitmondjes nodig om ongelooflijk kleine driedimensionale metalen structuren te printen. Dit betekent dat de openingen van de spuitmondjes even klein moeten zijn – in sommige gevallen zo klein dat er maar één molecuul doorheen kan persen. “We proberen 3D-printen tot het uiterste te brengen”, zegt dr. Dmitry Momotenko, die de junior onderzoeksgroep leidt aan het Institute of Chemistry. “We willen objecten atoom voor atoom samenstellen.”

‘Metalen zijn de perfecte oplossing’

3D-printen op nanoschaal, oftewel het 3D-printen van objecten die slechts enkele miljardsten van een meter groot zijn, opent geweldige mogelijkheden, legt de chemicus uit. Met name voor metalen voorwerpen ziet hij tal van toepassingen op het gebied van onder meer micro-elektronica, nanorobotica, sensor- en batterijtechnologie. “Elektrogeleidende materialen zijn nodig voor allerlei toepassingen in deze gebieden, dus metalen zijn de perfecte oplossing.”

Hoewel het 3D-printen van kunststoffen al is gevorderd tot deze afmetingen op nanoschaal, is het moeilijker gebleken om kleine metalen voorwerpen met 3D-technologie te vervaardigen. Bij sommige technieken zijn de gedrukte structuren nog duizend keer te groot voor veel geavanceerde toepassingen, terwijl het bij andere onmogelijk is om de objecten met de nodige graad van zuiverheid te fabriceren.

Momotenko is gespecialiseerd in galvaniseren, een tak van elektrochemie waarbij metaalionen gesuspendeerd in een zoutoplossing in contact worden gebracht met een negatief geladen elektrode. De positief geladen ionen combineren met elektronen om neutrale metaalatomen te vormen die op de elektrode worden afgezet en een vaste laag vormen.

“Een vloeibare zoutoplossing wordt een vast metaal – een proces dat wij elektrochemici heel goed kunnen beheersen”, zegt Momotenko. Ditzelfde proces wordt op grotere schaal gebruikt voor het verchromen van auto-onderdelen en het vergulden van sieraden.

Iets kleiner dan normaal

Het overbrengen naar nanoscopische schaal vereist echter veel vindingrijkheid, inspanning en zorg, zoals een bezoek aan het kleine laboratorium van de groep op de Wechloy-campus bevestigt. Het lab bevat drie printers, allemaal gebouwd en geprogrammeerd door het team zelf, zoals Momotenko aangeeft. Net als andere 3D-printers bestaan ​​ze uit een printnozzle, buizen voor het invoeren van het printmateriaal, een besturingsmechanisme en de mechanische componenten voor het verplaatsen van de nozzle, maar bij deze printers is alles iets kleiner dan normaal.

Een gekleurde zoutoplossing stroomt door delicate buisjes in de dunne capillaire buis, die op zijn beurt een haardun stukje draad bevat: de anode. Het sluit het circuit met de negatief gepolariseerde kathode, een vergulde siliciumschilfer kleiner dan een vingernagel, wat ook het oppervlak is waarop het printen plaatsvindt. Micromotoren en speciale kristallen die ogenblikkelijk veranderen wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd, verplaatsen de spuitmond snel met fracties van een millimeter in alle drie ruimtelijke richtingen.

Ongewenste trillingen

Omdat zelfs de kleinste trillingen het printproces kunnen verstoren, zijn twee van de printers ondergebracht in dozen met een dikke laag donkergekleurd akoestisch schuim. Verder rusten ze op granieten platen van elk 150 kilogram. Beide maatregelen zijn gericht op het voorkomen van ongewenste trillingen. De lampen in het lab werken ook op batterijen, omdat de elektromagnetische velden die worden geproduceerd door wisselstroom uit een stopcontact, de kleine elektrische stromen en spanningen zouden verstoren die nodig zijn om het nanoprintproces te regelen.

Ondertussen heeft Liaisan Khasanova alles voorbereid voor een proefafdruk: de printkop staat in de startpositie, de doos is gesloten, een flacon met een lichtblauwe koperoplossing is op de buizen aangesloten. Ze start een programma dat het afdrukproces in gang zet. Meetgegevens verschijnen op een scherm als curven en stippen. Deze laten de variaties in de stroom zien en registreren dat de spuitmond het substraat kort aanraakt en vervolgens steeds weer terugtrekt. Wat drukt de machine af? “Slechts een paar kolommen”, antwoordt ze.

Waag je diep in de nanowereld

Kolommen zijn de eenvoudigste geometrische vormen die met 3D-printen worden gegenereerd, maar de onderzoekers uit Oldenburg kunnen ook spiralen, ringen en allerlei overhangende structuren printen. De techniek kan momenteel worden gebruikt om te printen met koper, zilver en nikkel, maar ook met nikkel-mangaan- en nikkel-kobaltlegeringen.

In sommige van hun experimenten hebben ze zich al diep in de nanowereld gewaagd. Momotenko en een internationaal team van onderzoekers rapporteerden in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven in 2021 dat ze koperen kolommen hadden geproduceerd met een diameter van slechts 25 nanometer, waarmee 3D-metaalprinten voor het eerst onder de limiet van 100 nanometer kwam.

Een van de hoekstenen van dit succes was een feedbackmechanisme dat nauwkeurige controle van de bewegingen van de printnozzle mogelijk maakt. Het werd ontwikkeld door Momotenko samen met Julian Hengsteler, een Ph.D. student die hij begeleidde op zijn vorige werkplek, ETH Zürich in Zwitserland. “Het continu terugtrekken van de printnozzle is enorm belangrijk, omdat deze anders snel verstopt raakt”, legt de chemicus uit.

Hoe het onzichtbare te beheersen

Het team print de minuscule objecten laagje voor laagje met snelheden van enkele nanometers per seconde. Momotenko vindt het nog steeds verbazingwekkend dat hier objecten worden gemaakt die te klein zijn om zichtbaar te zijn voor het menselijk oog. “Je begint met een voorwerp dat je kunt aanraken. Dan vindt er een bepaalde transformatie plaats en ben je in staat om deze onzichtbare dingen op extreem kleine schaal te besturen – het is bijna niet te geloven”, zegt de chemicus.

Momotenko’s plannen voor zijn nanoprinttechniek zijn ook behoorlijk verbijsterend. Zijn doel is om de basis te leggen voor batterijen die duizend keer sneller kunnen worden opgeladen dan de huidige modellen. “Als dat lukt, kun je een e-auto binnen enkele seconden opladen”, legt hij uit. Het basisidee dat hij nastreeft, is al zo’n 20 jaar oud.

Het principe is om de paden van de ionen in de batterij tijdens het laadproces drastisch te verkorten. Hiervoor zouden de elektroden, die momenteel plat zijn, een driedimensionale oppervlaktestructuur moeten hebben. “Met het huidige batterijontwerp duurt het opladen zo lang omdat de elektroden relatief dik zijn en ver uit elkaar staan”, legt Momotenko uit.

De oplossing, zegt hij, is om de anoden en kathoden als vingers op nanoschaal in elkaar te grijpen en de afstand ertussen terug te brengen tot slechts enkele nanometers. Hierdoor zouden de ionen razendsnel tussen anode en kathode kunnen bewegen. Het probleem: tot nu toe was het niet mogelijk om batterijstructuren met de vereiste nano-afmetingen te produceren.

Fabricage van batterijmaterialen met ultrakleine structurele kenmerken

Momotenko is deze uitdaging nu aangegaan. In zijn NANO-3D-LION-project is het doel om geavanceerde 3D-printtechnieken op nanoschaal te ontwikkelen en toe te passen om actieve batterijmaterialen met ultrakleine structurele kenmerken te fabriceren.

Nadat Momotenko met succes had samengewerkt met een onderzoeksgroep onder leiding van prof. dr. Gunther Wittstock aan het Institute of Chemistry in een eerder project, besloot Momotenko het project te baseren op de Universiteit van Oldenburg. “De afdeling Onderzoek en Overdracht was erg behulpzaam bij mijn subsidieaanvraag, dus ben ik begin 2021 vanuit Zürich hierheen verhuisd”, legt hij uit.

Zijn onderzoeksgroep telt nu vier leden: naast Khasanova, Ph.D. student Karuna Kanes en masterstudent Simon Sprengel zijn het team komen versterken. Kanes richt zich op een nieuwe methode die gericht is op het optimaliseren van de precisie van de printnozzle, terwijl Sprengel de mogelijkheid onderzoekt om combinaties van twee verschillende metalen te printen – een proces dat nodig is om kathode- en anodemateriaal tegelijkertijd in één stap te produceren.

Liaisan Khasanova richt zich binnenkort op lithiumverbindingen. Haar missie zal zijn om erachter te komen hoe de elektrodematerialen die momenteel in lithiumbatterijen worden gebruikt, kunnen worden gestructureerd met behulp van 3D-printen. Het team is van plan verbindingen zoals lithium-ijzer of lithium-tin te onderzoeken en vervolgens te testen hoe groot de nano-“vingers” op de elektrode-oppervlakken moeten zijn, welke tussenruimte haalbaar is en hoe de elektroden moeten worden uitgelijnd.

Onderzoek in het ‘handschoenenkastje’

Een grote hindernis hier is dat lithiumverbindingen zeer reactief zijn en alleen onder gecontroleerde omstandigheden kunnen worden gehanteerd. Om deze reden heeft het team onlangs een extra grote versie van een laboratoriumhandschoenenkastje aangeschaft, een gasdicht afgesloten kamer die gevuld kan worden met een inert gas zoals argon. Aan één kant zijn hanteringshandschoenen ingebouwd waarmee de onderzoekers de objecten binnenin kunnen manipuleren.

De kamer, die ongeveer drie meter lang is en een halve ton weegt, is nog niet in gebruik, maar het team is van plan er nog een printer in te plaatsen. “De chemische omzetting van het materiaal en alle andere tests zullen ook in de kamer moeten worden uitgevoerd”, legt Momotenko uit.

Het team zal in de loop van het project tegen een aantal grote vragen aanlopen. Hoe beïnvloeden kleine onzuiverheden in de argonatmosfeer de afgedrukte lithium nanostructuren? Hoe de warmte afvoeren die onvermijdelijk wordt gegenereerd wanneer batterijen binnen enkele seconden worden opgeladen? Hoe print je niet alleen kleine batterijcellen, maar ook grote batterijen om een ​​mobiele telefoon of zelfs een auto van stroom te voorzien – binnen een redelijke tijd?

“Enerzijds werken we aan de chemie die nodig is om actieve elektrodematerialen op nanoschaal te produceren, anderzijds proberen we de printtechnologie aan te passen aan deze materialen”, schetst Momotenko de huidige uitdagingen.

Het probleem van energieopslag is complex

Het probleem van energieopslag is enorm complex en zijn team kan maar een kleine rol spelen bij het oplossen ervan, benadrukt de onderzoeker. Toch ziet hij zijn groep in een goede uitgangspositie: elektrochemisch 3D-printen van metalen is volgens hem op dit moment de enige haalbare optie om nanogestructureerde elektroden te maken en het concept te testen.

Naast batterijtechnologie werkt de chemicus ook aan andere gewaagde concepten. Hij wil zijn druktechniek gebruiken om metalen constructies te produceren die een meer gerichte controle van chemische reacties mogelijk maken dan tot nu toe mogelijk was. Dergelijke plannen spelen een rol in een relatief jong onderzoeksgebied dat bekend staat als spintronica, dat zich richt op de manipulatie van “spin” – een kwantummechanische eigenschap van elektronen.

Sensoren die individuele moleculen detecteren

Een ander idee dat hij in de praktijk wil brengen, is het maken van sensoren die individuele moleculen kunnen detecteren. “Dat zou nuttig zijn in de geneeskunde, bijvoorbeeld voor het opsporen van tumormarkers of biomarkers voor de ziekte van Alzheimer in extreem lage concentraties”, zegt Momotenko.

Al deze ideeën zijn nog erg nieuwe benaderingen in de chemie. “Het is nog niet duidelijk hoe het allemaal zou werken”, geeft hij toe. Maar zo gaat dat in de wetenschap. “Elk zinvol onderzoeksproject vereist lang nadenken en plannen, en uiteindelijk mislukken de meeste ideeën”, concludeert hij. Maar soms niet – en hij en zijn team hebben al de eerste succesvolle stappen op hun reis gezet.