Organic molecules enable 3D printing of nanoscale metal structures / Le molecole organiche consentono la stampa 3D di strutture metalliche su scala nanometrica
Researchers at the California Institute of Technology (Caltech) have used a new 3D printing technique to produce complex nanoscale metal structures that are orders of magnitude smaller than previously possible.
According to a study published in Nature Communications the process, once scaled up, could be used in a wide variety of applications, from building tiny medical implants and 3D logic circuits on computer chips to engineering ultra-lightweight aircraft components. It also opens the door to the creation of a new class of materials with unusual properties that are based on their internal structure.
Nanoscale 3D printing uses a high-precision laser to strike the liquid in specific locations of the material with two photons. Whilst this provides enough energy to harden liquid polymers into solids, it doesn’t provide enough to fuse metal.
“Metals don’t respond to light in the same way as the polymer resins that we use to manufacture structures at the nanoscale,” said Caltech materials scientist Professor Julia Greer. “There’s a chemical reaction that gets triggered when light interacts with a polymer that enables it to harden and then form into a particular shape. In a metal, this process is fundamentally impossible.”
Greer’s graduate student Andrey Vyatskikh came up with a solution that uses organic ligands – molecules that bond to metal – to create a resin containing mostly polymer, but which carries along with it metal that can be printed, like a scaffold.
The team bonded together nickel and organic molecules to create a liquid, designed a structure using computer software, and then built this structure by zapping the liquid with a two-photon laser.
The laser creates stronger chemical bonds between the organic molecules, hardening them into building blocks for the structure. Since those molecules are also bonded to the nickel atoms, the nickel becomes incorporated into the structure. In this way, the team was able to print a 3D structure that was initially a blend of metal ions and non-metal, organic molecules.
This structure was then put into an oven that slowly heated it up to 1,000 degrees Celsius, which is below the melting point of nickel (1,455 degrees Celsius,) but hot enough to vaporise the organic materials in the structure, leaving only the metal. This pyrolysis process also fused the metal particles together.
In addition, because the process vaporised a significant amount of the structure’s material, its dimensions shrank by 80 per cent, but it maintained its shape and proportions.
“That final shrinkage is a big part of why we’re able to get structures to be so small,” said Vyatskikh. “In the structure, we built for the paper, the diameter of the metal beams in the printed part is roughly 1/1000th the size of the tip of a sewing needle.”
The group is now refining the performance of the technique and looking at how it could be called up for industrial applications. It’s also looking at using a range of other materials, including tungsten, titanium, ceramics, semiconductors, and even piezoelectric materials.
ITALIANO
I ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) hanno utilizzato una nuova tecnica di stampa 3D per produrre strutture metalliche complesse su scala nanometrica di ordini di grandezza inferiori rispetto a prima.
Secondo uno studio pubblicato su Nature Communications, il processo, una volta scalato, potrebbe essere utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni, dalla costruzione di minuscoli impianti medici e circuiti logici 3D su chip di computer a componenti di aeromobili ultraleggeri. Apre anche la porta alla creazione di una nuova classe di materiali con proprietà insolite che si basano sulla loro struttura interna.
La stampa 3D su scala nanoscopica utilizza un laser ad alta precisione per colpire il liquido in specifiche posizioni del materiale con due fotoni. Mentre questo fornisce abbastanza energia per indurire i polimeri liquidi in solidi, non fornisce abbastanza per fondere il metallo.
"I metalli non rispondono alla luce allo stesso modo delle resine polimeriche che usiamo per fabbricare strutture su scala nanometrica", ha detto la scienziata dei materiali Caltech, professoressa Julia Greer. "C'è una reazione chimica che si innesca quando la luce interagisce con un polimero che gli permette di indurirsi e quindi di formare una forma particolare. In un metallo, questo processo è fondamentalmente impossibile. "
Andrey Vyatskikh, studente laureato alla Greer, ha trovato una soluzione che utilizza leganti organici - molecole che si legano al metallo - per creare una resina contenente principalmente polimero, ma che porta con sé metallo che può essere stampato, come un'impalcatura.
Il gruppo ha unito il nichel e le molecole organiche per creare un liquido, ha progettato una struttura utilizzando un software per computer e ha quindi costruito questa struttura facendo zapping del liquido con un laser a due fotoni.
Il laser crea legami chimici più forti tra le molecole organiche, indurendole in mattoni per la struttura. Poiché tali molecole sono anche legate agli atomi di nichel, il nichel viene incorporato nella struttura. In questo modo, il gruppo è stato in grado di stampare una struttura 3D che inizialmente era una miscela di ioni metallici e molecole organiche non metalliche.
Questa struttura è stata quindi messa in un forno che lo ha riscaldato lentamente fino a 1.000 gradi Celsius, che è inferiore al punto di fusione del nickel (1455 gradi Celsius), ma abbastanza caldo da vaporizzare i materiali organici nella struttura, lasciando solo il metallo. Questo processo di pirolisi ha anche fuso insieme le particelle di metallo.
Inoltre, poiché il processo ha vaporizzato una quantità significativa del materiale della struttura, le sue dimensioni si sono ridotte dell'80%, ma ha mantenuto la sua forma e le sue proporzioni.
"Quella contrazione finale è una grande parte del motivo per cui siamo in grado di ottenere strutture così piccole", ha detto Vyatskikh. "Nella struttura, abbiamo costruito per la stampa, il diametro delle travi metalliche nella parte stampata è circa 1 / 1000th la dimensione della punta di un ago da cucito."
Il gruppo sta ora perfezionando le prestazioni della tecnica e osservando come potrebbe essere chiamato per applicazioni industriali. Sta anche considerando l'utilizzo di una serie di altri materiali, tra cui tungsteno, titanio, ceramica, semiconduttori e persino materiali piezoelettrici.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/3d-printing-nanoscale-metal-structures/?cmpid=tenews_4754810&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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