納米級(jí) 3D 打印是 3D 打印以納米為單位測(cè)量的物體的能力。例如，1 毫米中有 1,000,000 納米。為了更好地了解大小或缺乏大小，我們應(yīng)該參考一根頭發(fā)的大小，其直徑為 75,000-100,000 納米。

探索納米級(jí) 3D 打印

這種微型主機(jī)包含一系列潛在的行業(yè)顛覆性產(chǎn)品，從較小的計(jì)算機(jī)芯片和 1 pc 印刷計(jì)算機(jī)板到讓電池更快充電/放電能力的納米級(jí)金屬部件。

這一突破既可以提高效率，也可以提高較小零件的生產(chǎn)率。

微電子、納米機(jī)器人和傳感器技術(shù)等行業(yè)將受益于在不影響準(zhǔn)確性的情況下在這種納米尺度上進(jìn)行創(chuàng)造的能力。目前，美國各地的大學(xué)正在研究不同的納米級(jí)打印方法，同時(shí)保持各自行業(yè)所需的精度。

其中一些研究所專注于電子技術(shù)的進(jìn)步，而其他研究所則著眼于利用光化學(xué)反應(yīng)（包括蛋白質(zhì)、聚糖或基因的固定）的納米印刷方法。

納米級(jí)打印的合成材料和塑料長期以來受益于這種尺寸的打印能力，只是在之前的 2-3 年里，科學(xué)家們才在將金屬物體精確打印到這種尺寸方面取得了突破。

這種規(guī)模的 3D 打印金屬使科學(xué)家能夠逐個(gè)原子地組裝物體。

納米級(jí)3D打印解決方案

領(lǐng)導(dǎo)化學(xué)研究所初級(jí)研究小組的Dmitry Momotenko 博士相信，這項(xiàng)技術(shù)將使他的團(tuán)隊(duì)能夠以比當(dāng)前競爭技術(shù)快 1000 倍的速度充電和放電的 3D 打印電池。他的一些陳述包括：“如果今天能夠?qū)崿F(xiàn)，電動(dòng)汽車可以在幾秒鐘內(nèi)充電”。

目標(biāo)是以指數(shù)方式縮短電池單元中離子之間的路徑。納米級(jí) 3D 打印將允許他的團(tuán)隊(duì)重新審視這個(gè) 20 年前的想法，希望能夠以一種允許電子一次通過整個(gè)電池的方式 3D 打印電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不是必須通過一個(gè)細(xì)胞的一側(cè)到另一側(cè)。

憑借精確打印小至 25 微米的金屬結(jié)構(gòu)的能力，納米機(jī)器人（納米級(jí)微芯片）和微電子技術(shù)都將同樣受益于這項(xiàng)技術(shù)。

納米級(jí) 3D 打印機(jī)技術(shù)

奧爾登堡大學(xué)的化學(xué)家 Liaisan Khasanova 的任務(wù)是制造納米級(jí)打印所需的專用噴嘴頭。從一根普通的石英玻璃管開始，一根 1 毫米厚的毛細(xì)管插入藍(lán)色液體。一旦通電，就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出一聲巨響。然后移除管子，露出一個(gè)足夠小的孔以滿足他們的要求。“設(shè)備內(nèi)部的激光束加熱管子并將其拉開。然后我們突然增加張力，使玻璃在中間破裂并形成非常尖銳的尖端，”正在攻讀博士學(xué)位的 Khasanova 解釋道。德國奧爾登堡大學(xué)電化學(xué)納米技術(shù)組化學(xué)專業(yè)。

在大學(xué)的Wechloy校區(qū)，該實(shí)驗(yàn)室配備了 3 臺(tái)打印機(jī)，這些打印機(jī)是按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)部制造和編程的。在概念上類似于當(dāng)今的消費(fèi)類 3D 打印機(jī)，但有一個(gè)小區(qū)別——尺寸。

這些打印機(jī)專注于準(zhǔn)確性，利用鋪有泡沫的大型花崗巖底座來幫助減少打印過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。這些步驟有助于精確控制 3D 打印機(jī)，從而在更小的尺度上實(shí)現(xiàn)更高的精度。傳統(tǒng)的粉末金屬 3D 打印機(jī)只能達(dá)到微米級(jí)的分辨率，尺寸相差 1000 倍。

打印機(jī)的環(huán)境也被考慮在內(nèi)，由于電磁干擾，該團(tuán)隊(duì)已考慮到實(shí)驗(yàn)室中的燈光。他們使用電池供電的燈來幫助隔離交流電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。

金屬納米結(jié)構(gòu)概覽

由于缺乏強(qiáng)度和較低的耐熱性，納米級(jí)印刷塑料分子很容易被加工成結(jié)構(gòu)形狀。塑料的可延展性使科學(xué)家能夠?qū)⑺芰霞庸こ筛〉男螤?。這種易用性導(dǎo)致了印刷技術(shù)的大部分最新進(jìn)展。

相比之下，金屬納米級(jí) 3D 打印需要更嚴(yán)格的公差和更高的耐熱性和耐磨性。這些打印機(jī)需要最近的進(jìn)步，從改進(jìn)的打印算法到重新發(fā)明的打印機(jī)技巧，以實(shí)現(xiàn)小而準(zhǔn)確的打印。

目前，該團(tuán)隊(duì)能夠使用銅、銀、鎳、鎳錳和鎳鈷合金。Momotenko 博士和一組研究人員成功地制造了 25 納米或 195 個(gè)銅原子大小的銅螺旋柱，作為他們?cè)?2021 年納米技術(shù)雜志上發(fā)表的研究的一部分。利用 Momotenko 博士和他的同事 Julian Hengsteler 創(chuàng)造的一種方法，反饋機(jī)制與擠出頭結(jié)合使用，以調(diào)節(jié)防止噴嘴在印刷中期凝固所需的回縮過程。印刷品以每秒幾納米的速度一次形成一層。

3D 打印納米級(jí)銅柱。照片歸功于Nano Letters。

時(shí)間就是生命

打印扁平螺旋物體有助于電池存儲(chǔ)和生產(chǎn)的進(jìn)步。它以一種允許質(zhì)子快速均勻地通過電池的方式控制納米結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致增強(qiáng)的電池充電速率和放電速率。

這將有利于依賴儲(chǔ)能的行業(yè)，從 EV 電池到離網(wǎng)家庭，或數(shù)據(jù)服務(wù)器場(chǎng)的存儲(chǔ)需求，這些服務(wù)器場(chǎng)永遠(yuǎn)不會(huì)因電網(wǎng)故障而離線。

先來的風(fēng)險(xiǎn)

為了降低與鋰離子電池生產(chǎn)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，專門的密封室充滿了正壓惰性氬氣。尺寸適合在惰性環(huán)境中容納打印機(jī)，腔室長 10 英尺，重近 1000 磅。

當(dāng)電池充滿電時(shí)，電池將如何管理其反應(yīng)產(chǎn)生的熱量？“一方面，我們正在研究生產(chǎn)納米級(jí)活性電極材料所需的化學(xué)方法；另一方面，我們正在努力使印刷技術(shù)適應(yīng)這些材料，”Momotenko 博士說。

然后是進(jìn)步

依靠現(xiàn)有的電鍍技術(shù)，他們能夠采用這種方法（帶正電的銅離子在鹽溶液中帶負(fù)電的電極）。與目前僅限于微米的基于粉末的 3D 打印機(jī)相比，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的擠壓尖端使他們能夠在納米級(jí)進(jìn)行 3D 打印。

電池技術(shù)只是第一個(gè)用例，Momotenko 博士還有其他大膽的概念。他計(jì)劃利用這種印刷技術(shù)來利用一個(gè)名為自旋電子學(xué)的年輕領(lǐng)域，該領(lǐng)域的目標(biāo)是操縱“自旋”的能力——電子的一種量子力學(xué)特性。

他還計(jì)劃制造能夠檢測(cè)單個(gè)分子的傳感器。這將有助于檢測(cè)阿爾茨海默氏癥，它以其少量的生物標(biāo)志物而臭名昭著。

即使在開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)之后，該團(tuán)隊(duì)仍然對(duì)能夠創(chuàng)造出人眼在沒有幫助的情況下無法看到的物體的能力感到敬畏。