Onderzoekers creëren een snellere en goedkopere manier om kleine metalen structuren met licht te printen

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een op licht gebaseerde manier ontwikkeld om metaalstructuren van nanoformaat te printen die aanzienlijk sneller en goedkoper is dan welke technologie dan ook die momenteel beschikbaar is. Het is een schaalbare oplossing die een wetenschappelijk veld zou kunnen transformeren dat lange tijd afhankelijk was van technologieën die onbetaalbaar en traag zijn. De doorbraak heeft het potentieel om nieuwe technologieën uit de laboratoria naar de wereld te brengen.

Technologische vooruitgang op veel terreinen is afhankelijk van het vermogen om metaalstructuren te printen met een nanogrootte – een schaal die honderden keren kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Sourabh Saha, assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, en Jungho Choi, een Ph.D. student in Saha’s laboratorium, ontwikkelde een techniek voor het printen van metalen nanostructuren die 480 keer sneller en 35 keer goedkoper is dan de huidige conventionele methode.

Hun onderzoek is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.

Het printen van metaal op nanoschaal – een techniek die bekend staat als nanopatterning – maakt het mogelijk unieke structuren met interessante functies te creëren. Het is cruciaal voor de ontwikkeling van veel technologieën, waaronder elektronische apparaten, conversie van zonne-energie, sensoren en andere systemen.

Algemeen wordt aangenomen dat lichtbronnen met hoge intensiteit nodig zijn voor afdrukken op nanoschaal. Maar dit soort gereedschap, bekend als een femtoseconde-laser, kan tot een half miljoen dollar kosten en is te duur voor de meeste onderzoekslaboratoria en kleine bedrijven.

“Als wetenschappelijke gemeenschap hebben we niet het vermogen om snel en betaalbaar genoeg van deze nanomaterialen te maken, en dat is de reden waarom veelbelovende technologieën vaak beperkt blijven tot het laboratorium en niet worden vertaald naar toepassingen in de echte wereld,” zei Saha. .

“De vraag die we wilden beantwoorden is: ‘Hebben we echt een femtosecondelaser met hoge intensiteit nodig om op nanoschaal te printen?’ Onze hypothese was dat we die lichtbron niet nodig hebben om het type afdruk te krijgen dat we willen.”

Ze zochten naar goedkoop licht met een lage intensiteit dat kon worden gefocusseerd op een manier die vergelijkbaar is met femtoseconde-lasers, en kozen voor superluminescente light-emitting diodes (SLED’s) vanwege hun commerciële beschikbaarheid. SLED’s zenden licht uit dat een miljard keer minder intens is dan dat van femtosecondelasers.

Saha en Choi wilden een originele printtechnologie in projectiestijl creëren, waarbij ze een systeem ontwierpen dat digitale afbeeldingen omzet in optische afbeeldingen en deze op een glazen oppervlak weergeeft. Het systeem werkt als digitale projectoren, maar produceert beelden die scherper zijn. Ze maakten gebruik van de unieke eigenschappen van superluminescent licht om scherp gefocuste beelden met minimale defecten te genereren.

Vervolgens ontwikkelden ze een heldere inktoplossing bestaande uit metaalzout en voegden andere chemicaliën toe om ervoor te zorgen dat de vloeistof licht kon absorberen. Toen het licht van hun projectiesysteem de oplossing raakte, veroorzaakte dit een chemische reactie die de zoutoplossing in metaal veranderde. De metalen nanodeeltjes bleven aan het oppervlak van het glas plakken en de agglomeratie van de metaaldeeltjes creëert de nanostructuren. Omdat het een projectietype is, kan het een hele structuur in één keer afdrukken, in plaats van punt voor punt, waardoor het veel sneller gaat.

Na het testen van de techniek ontdekten ze dat printen op nanoschaal in projectiestijl zelfs bij licht met lage intensiteit mogelijk is, maar alleen als de beelden scherp zijn scherpgesteld. Saha en Choi zijn van mening dat onderzoekers hun werk gemakkelijk kunnen repliceren met behulp van in de handel verkrijgbare hardware. In tegenstelling tot een dure femtoseconde-laser kost het type SLED dat Saha en Choi in hun printer gebruikten ongeveer $ 3.000.

“Op dit moment hebben alleen topuniversiteiten toegang tot deze dure technologieën, en zelfs dan bevinden ze zich in gedeelde faciliteiten en zijn ze niet altijd beschikbaar”, aldus Choi. “We willen de mogelijkheden van 3D-printen op nanoschaal democratiseren, en we hopen dat ons onderzoek de deur opent voor een betere toegang tot dit soort processen tegen lage kosten.”

De onderzoekers zeggen dat hun techniek vooral nuttig zal zijn voor mensen die werkzaam zijn op het gebied van elektronica, optica en plasmonica, die allemaal een verscheidenheid aan complexe metalen nanostructuren vereisen.

“Ik denk dat de maatstaven van kosten en snelheid enorm ondergewaardeerd zijn in de wetenschappelijke gemeenschap die werkt aan de fabricage en productie van kleine structuren”, zei Saha.

“In de echte wereld zijn deze statistieken belangrijk als het gaat om het vertalen van ontdekkingen van het laboratorium naar de industrie. Alleen als we productietechnieken hebben die met deze statistieken rekening houden, zullen we nanotechnologie volledig kunnen benutten voor maatschappelijk voordeel.”