22.11.2021 - Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

La impresión 3D se acerca a las dimensiones atómicas

Una nueva técnica electroquímica hace posible la producción de objetos metálicos complejos a nanoescala

En los últimos años, la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, se ha consolidado como un nuevo y prometedor proceso de fabricación para una gran variedad de componentes. El Dr. Dmitry Momotenko, químico de la Universidad de Oldenburg, ha conseguido fabricar objetos metálicos ultrapequeños con una nueva técnica de impresión 3D. En un artículo publicado junto con un equipo de investigadores de la ETH de Zúrich (Suiza) y la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) en la revista científica Nano Letters, informa de que la técnica tiene posibles aplicaciones en microelectrónica, tecnología de sensores y tecnología de baterías. El equipo ha desarrollado una técnica electroquímica que permite fabricar objetos de cobre de apenas 25 milmillonésimas de metro (equivalente a 25 nanómetros) de diámetro. A modo de comparación, un cabello humano es unas 3.000 veces más grueso que las nanoestructuras de filigrana.

La nueva técnica de impresión se basa en el relativamente sencillo y conocido proceso de galvanoplastia. En la galvanoplastia, los iones metálicos cargados positivamente se suspenden en una solución. Cuando el líquido entra en contacto con un electrodo cargado negativamente, los iones metálicos se combinan con los electrones del electrodo para formar átomos metálicos neutros que se depositan en el electrodo y forman gradualmente una capa metálica sólida. "En este proceso, se fabrica un metal sólido a partir de una solución salina líquida, un proceso que los electroquímicos podemos controlar con gran eficacia", explica Momotenko. Para su técnica de nanoimpresión utiliza una solución de iones de cobre con carga positiva en una diminuta pipeta. El líquido sale de la punta de la pipeta a través de una boquilla de impresión. En los experimentos del equipo, la abertura de la boquilla tenía un diámetro de entre 253 y 1,6 nanómetros. Sólo dos iones de cobre pueden pasar simultáneamente por una abertura tan pequeña.

El mayor reto para los científicos fue que, a medida que la capa de metal crece, la abertura de la boquilla de impresión tiende a obstruirse. Para evitarlo, el equipo desarrolló una técnica para controlar el progreso del proceso de impresión. Registraron la corriente eléctrica entre el electrodo del sustrato cargado negativamente y un electrodo positivo en el interior de la pipeta y luego el movimiento de la boquilla se ajustó en consecuencia en un proceso totalmente automatizado: la boquilla se acercaba al electrodo negativo durante un tiempo muy corto y luego se retraía en cuanto la capa de metal había superado un determinado grosor. Con esta técnica, los investigadores aplicaron gradualmente una capa de cobre tras otra a la superficie del electrodo. Gracias al posicionamiento extremadamente preciso de la boquilla, pudieron imprimir tanto columnas verticales como nanoestructuras inclinadas o en espiral, e incluso lograron producir estructuras horizontales con sólo cambiar la dirección de impresión.
También pudieron controlar el diámetro de las estructuras con gran precisión, en primer lugar mediante la elección del tamaño de la boquilla de impresión y, en segundo lugar, durante el proceso de impresión propiamente dicho, sobre la base de parámetros electroquímicos. Según el equipo, los objetos más pequeños que se pueden imprimir con este método tienen un diámetro de unos 25 nanómetros, lo que equivale a 195 átomos de cobre en fila.

Esto significa que con la nueva técnica electroquímica es posible imprimir objetos metálicos mucho más pequeños que los que se han impreso hasta ahora. La impresión en 3D con polvos metálicos, por ejemplo, un método típico para la impresión en 3D de metales, puede alcanzar actualmente una resolución de unos 100 micrómetros. Por tanto, los objetos más pequeños que se pueden producir con este método son 4.000 veces más grandes que los del estudio actual. Aunque se pueden producir estructuras aún más pequeñas con otras técnicas, la elección de posibles materiales es limitada. "La tecnología en la que trabajamos combina ambos mundos: la impresión de metales y la precisión a nanoescala", afirma Momotenko. Al igual que la impresión 3D ha provocado una revolución en la producción de componentes complejos de mayor tamaño, la fabricación aditiva a micro y nanoescala podría permitir la fabricación de estructuras funcionales e incluso dispositivos de dimensiones ultrapequeñas, explica.

"Podrían prepararse catalizadores impresos en 3D con una gran superficie y una geometría especial que permita una reactividad particular para la producción de productos químicos complejos", afirma Momotenko. Los electrodos tridimensionales podrían hacer más eficiente el almacenamiento de energía eléctrica, añade. El químico y su equipo trabajan actualmente con este mismo objetivo: en su proyecto NANO-3D-LION pretenden aumentar drásticamente la superficie de los electrodos y reducir las distancias entre el cátodo y el ánodo en las baterías de iones de litio mediante la impresión en 3D, con el fin de acelerar el proceso de carga. El proyecto está financiado por una subvención de inicio del Consejo Europeo de Investigación desde marzo de 2021.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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