Nova técnica de impressão 3D para fabricação de objetos metálicos ultrapequenos

22 de maio de 2023

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por Carl von Ossietzky Universidade de Oldemburgo

Uma equipe de pesquisa liderada pelo químico Dmitry Momotenko desenvolveu uma nova técnica de impressão 3D para fabricar objetos metálicos ultrapequenos. Usando esta técnica, os pesquisadores pretendem aumentar substancialmente a área de superfície dos eletrodos da bateria para reduzir drasticamente o tempo de carregamento.

O químico Liaisan Khasanova leva menos de um minuto para transformar um tubo de vidro de sílica comum em um bico de impressão para uma impressora 3D muito especial. O químico insere o tubo capilar – que tem apenas um milímetro de espessura – em um aparelho azul, fecha a aba e aperta um botão. Após alguns segundos, ouve-se um grande estrondo e o bico está pronto para uso.

"Um feixe de laser dentro do dispositivo aquece o tubo e o separa. De repente, aumentamos a força de tração, de modo que o vidro quebra no meio e se forma uma ponta muito afiada", explica Khasanova, que está trabalhando em seu doutorado. . em química no Grupo de Nanotecnologia Eletroquímica.

Khasanova e seus colegas precisam de bicos minúsculos para imprimir estruturas metálicas tridimensionais incrivelmente minúsculas. Isso significa que as aberturas dos bicos devem ser igualmente minúsculas – em alguns casos, tão pequenas que apenas uma única molécula pode passar. “Estamos tentando levar a impressão 3D aos seus limites tecnológicos”, diz o Dr. Dmitry Momotenko, que lidera o grupo de pesquisa júnior do Instituto de Química. "Queremos montar objetos átomo por átomo."

A impressão 3D em nanoescala – em outras palavras, a impressão 3D de objetos com apenas alguns bilionésimos de metro de tamanho – abre oportunidades incríveis, explica o químico. Para objetos metálicos em particular, ele pode prever inúmeras aplicações em áreas como microeletrônica, nanorobótica, sensores e tecnologia de baterias. "Materiais eletrocondutores são necessários para todos os tipos de aplicações nessas áreas, portanto os metais são a solução perfeita."

Embora a impressão 3D de plásticos já tenha avançado para essas dimensões em nanoescala, a fabricação de pequenos objetos metálicos usando a tecnologia 3D tem se mostrado mais difícil. Com algumas técnicas as estruturas impressas ainda são mil vezes grandes para muitas aplicações avançadas, enquanto com outras é impossível fabricar os objetos com o grau de pureza necessário.

Momotenko é especialista em galvanoplastia, um ramo da eletroquímica onde íons metálicos suspensos em uma solução salina são colocados em contato com um eletrodo carregado negativamente. Os íons carregados positivamente combinam-se com os elétrons para formar átomos metálicos neutros que são depositados no eletrodo, formando uma camada sólida.

“Uma solução salina líquida torna-se um metal sólido – um processo que nós, eletroquímicos, podemos controlar de forma muito eficaz”, diz Momotenko. Esse mesmo processo é usado para cromagem de peças automotivas e joias folheadas a ouro em maior escala.

No entanto, transferi-lo para a escala nanoscópica requer considerável engenhosidade, esforço e cuidado, como confirma uma visita ao pequeno laboratório do grupo no campus de Wechloy. O laboratório contém três impressoras – todas construídas e programadas pela própria equipe, como destaca Momotenko. Como outras impressoras 3D, elas consistem em um bico de impressão, tubos para alimentação do material de impressão, um mecanismo de controle e componentes mecânicos para movimentação do bico – mas nessas impressoras tudo é um pouco menor que o normal.

Uma solução salina colorida flui através de tubos delicados até o fino tubo capilar, que por sua vez contém um pedaço de arame da espessura de um fio de cabelo – o ânodo. Ele fecha o circuito com o cátodo polarizado negativamente, um floco de silício folheado a ouro menor que uma unha, que também é a superfície onde ocorre a impressão. Micromotores e cristais especiais que se transformam instantaneamente quando uma tensão elétrica é aplicada movem rapidamente o bico em frações de milímetro em todas as três direções espaciais.