การผลิตแบบเติมวัสดุเอาชนะมิติอะตอม

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

ตอนนี้นักวิจัยกำลังทำให้การผลิตโครงสร้างโลหะซับซ้อนในช่วงนาโนเมตร สามารถเป็นไปได้โดยใช้การพิมพ์สามมิติ และนี่คือวิธีการทำ

สิ่งเหล่านี้คือโครงสร้างที่ผลิตแบบเติมวัสดุทำจากทองแดง สิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับพวกมันคือการถูกสร้างทีละไอออน จะพูดเช่นนั้นก็ได้ จากสารละลายเกลือทองแดง สิ่งนี้เป็นการพิมพ์สามมิติชนิดใหม่ทั้งหมดที่สามารถก่อให้เกิดโลกนาโนใหม่ แต่จะนำมาซึ่งประโยชน์ที่ค่อนข้างปฏิบัติได้จริง (ที่มา: J. Hengsteler / ETH Zürich)

ตอนนี้ Dr Dmitry Momotenko นักเคมีจากมหาวิทยาลัย Oldenburg ได้ประสบความสำเร็จในการผลิตวัตถุโลหะที่มีขนาดเล็กสุด ๆ โดยใช้เทคนิคการพิมพ์สามมิติไฟฟ้าเคมีใหม่ ตามรายงาน ผลิตภัณฑ์สามารถให้ความเป็นไปได้ใหม่ ๆ สำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีเซ็นเซอร์หรือเทคโนโลยีแบตเตอรี่ Momotenko รายงานด้วยกันกับทีมของนักวิจัยจาก ETH Zurich และมหาวิทยาลัยเทคนิค Nanyang ในสิงคโปร์ ในวารสาร Nano Letters กระบวนการพิมพ์ไฟฟ้าเคมีสามารถถูกใช้เพื่อสร้างวัตถุออกมาจากทองแดงด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 นาโนเมตร ผู้เข้าร่วมเน้นว่าเส้นผมของมนุษย์หนากว่าประมาณ 3,000 เท่า ของโครงสร้างที่สามารถผลิตได้

การผลิตแบบเติมวัสดุ: เสมือนทีละไอออน

กระบวนการพิมพ์ขึ้นอยู่กับกระบวนการชุบเคลือบผิวที่เรียบง่ายและเป็นที่รู้จักกันดี เพื่อวัตถุประสงค์นี้ ไอออนโลหะที่ชาร์จประจุบวก (ที่นี่คือไอออนทองแดง) ถูกใช้ในสารละลาย เมื่อสารละลายนี้มาสัมผัสกับอิเล็กโตรดที่ชาร์จประจุลบ ไอออนโลหะผสานกับอิเล็กตรอนที่อยู่ตรงนั้นก่อตัวขึ้นเป็นอะตอมโลหะเป็นกลาง ซึ่งฝากไว้บนอิเล็กโตรด ผู้เชี่ยวชาญอธิบาย ด้วยวิธีนี้ ชั้นของโลหะแข็งจะค่อยๆก่อตัวขึ้น กระบวนการยังง่ายที่จะควบคุมนักวิจัยใช้ปิเปตเพื่อทาสารละลายไอออนทองแดงทีละหยดผ่านหัวฉีดแรงดันไปยังที่ซึ่งโครงสร้างจะถูกก่อตัวขึ้น จนถึงตอนนี้ รูมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 253 และ 1.6 นาโนเมตร ไอออนทองแดงเพียงแค่สองไอออนเท่านั้นที่ผ่านรูเล็ก ๆ  แบบนั้นในเวลาเดียวกันได้ นักวิจัย Oldenburg บันทึก วัตถุเล็กที่สุดที่เป็นไปได้ที่สามารถถูกพิมพ์ด้วยกระบวนการนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 นาโนเมตร นั่นสอดคล้องกับอะตอมทองแดง 195 อะตอมติดต่อกัน



ปัญหาหัวฉีดตันถูกขจัดไป

เป้าหมายที่เข้มงวดคือหลีกเลี่ยงการเติบโตขึ้นของชั้นโลหะที่ขวางทางเปิดของหัวฉีดการพิมพ์ ซึ่งเกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว พวกเขากล่าว ดังนั้นทีมจึงพัฒนาวิธีที่จะเฝ้าสังเกตการณ์ความคืบหน้าของแรงดัน เพื่อทำสิ่งนี้ พวกเขาลงบันทึกกระแสไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโตรดประจุลบและอิเล็กโตรดประจุบวกที่เพิ่มภายในปิเปต ขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ การเคลื่อนไหวของหัวฉีดสามารถถูกปรับเข้ากับสภาวะต่างๆ ได้

หัวฉีดยังเข้าใกล้อิเล็กโตรดเป็นเวลาสั้น ๆ และถอนออกเร็วเท่าที่ชั้นโลหะเกินความหนาระดับหนึ่ง ด้วยวิธีนี้ โครงสร้างนาโนสามารถถูกสร้างขึ้นได้โดยปราศจากปัญหา โดยการวางตำแหน่งหัวฉีดอย่างแม่นยำ ทีมยังประสบผลสำเร็จในการพิมพ์คอลัมน์แนวตั้งเช่นเดียวกันกับโครงสร้างเอียงหรือเกลียว แม้โครงสร้างแนวราบก็เป็นไปได้โดยเพียงแค่เปลี่ยนทิศทางการพิมพ์ นักวิจัยกล่าวต่อ

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าว เส้นผ่านศูนย์กลางของโครงสร้างยังสามารถถูกควบคุมได้ ด้านหนึ่ง ผ่านขนาดของหัวฉีดพิมพ์และอีกด้านหนึ่งระหว่างกระบวนการพิมพ์ หากพารามิเตอร์ไฟฟ้าเคมีถูกเปลี่ยนตาม 

การปฏิวัติครั้งใหม่ในการผลิตแบบเติมวัสดุจะเกิดขึ้นในไม่ช้าหรือไม่?

กระบวนการพิมพ์สามมิติไฟฟ้าเคมีใหม่จึงให้โอกาสในการพิมพ์วัตถุโลหะที่เล็กกว่าอย่างมีนัยสำคัญกว่าแต่ก่อน นักวิจัยเน้นย้ำว่าเฉพาะความละเอียดประมาณ 100 ไมโครเมตร สามารถบรรลุได้ด้วยกระบวนการพิมพ์โลหะที่ใช้ผงโลหะที่พบได้ทั่วไปในตอนนี้ ดังนั้นวัตถุพิมพ์ที่ผลิตได้ที่เล็กที่สุดจึงใหญ่กว่า 4,000 เท่า  แม้โครงสร้างที่เล็กกว่าจะสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการอื่นๆ ตัวเลือกของวัสดุที่เป็นไปได้ยังจำกัด

อะไรที่ ‘เครื่องพิมพ์ไอออน’ นำมาสำหรับอนาคต?

ตัวอย่างคือ อินเตอร์เฟซที่พิมพ์สามมิติใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการผลิตสารเคมีซับซ้อน Momotenko กล่าว และอิเล็กโตรดที่มีโครงสร้างสามมิติสามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า นี้คืองานที่นักเคมีและทีมของเขากำลังทำงานอยู่ กล่าวให้ชัดไปกว่านั้นคือในโครงการ ‘Nano-3D-Lion’ ซึ่งพวกเขาต้องการที่จะขยายพื้นผิวของอิเล็กโตรดในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนให้ใหญ่ขึ้นมากโดยการพิมพ์สามมิติ ดังนั้นจึงเพิ่มความเร็วในกระบวนการชาร์จ

สภาวิจัยแห่งยุโรป (The European Research Council-ERC) ได้ให้เงินทุนโครงการตั้งแต่เดือนมีนาคม 2021 ด้วยทุนเริ่มต้น

* *Königsreuther, มหาวิทยาลัยแห่ง Oldenburg ประเทศเยอรมันี

ที่มา : https://www.etmm-online.com