Nowatorska metoda druku 3D nanostruktur z metalu

Naukowcom z Caltech udało się opracować metodę wytwarzania metalowych struktur w skali nano, korzystając z druku 3D. Pomysł opiera się na drukowaniu polimerowego rusztowania, w którym osadzone są jony metalu. Metalowe nanostruktury, dzięki swoim specjalnym, często nieklasycznym właściwościom, mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach – od implantologii, przez elektronikę, po aeronautykę.

Większość dostępnych technik przyrostowych do tworzenia elementów z metalu charakteryzuje rozdzielczość ograniczona do 20-50 μm. Dąży się do opracowania metod drukujących metalowe struktury w jeszcze mniejszej skali – wielkości kilku mikrometrów lub nawet nanometrów. Obiekty o tak małych wymiarach wykazują bowiem bardzo interesujące właściwości, w szczególności optyczne i mechaniczne. Dotyczy to nie tylko metali – do tej pory grupie badawczej Julii Greer z California Institute of Technology udało się wydrukować np. nadzwyczaj lekkie nanomateriały ceramiczne zdolne do powrotu do pierwotnego kształtu po zgnieceniu.

Metale są ogólnie bardzo trudnym tworzywem dla technologii przyrostowych, a w skali nano dostępne metody nie sprawdzają się wcale. Dolną granicą dla technik opartych na osadzaniu topionego proszku lub drutu jest ok. 100 μm, w przypadku technik polegających na topieniu proszku w złożu to ok. 20 μm. Również metody spoza działu wytwarzania przyrostowego nie pozwalają na wydajną produkcję nanomateriałów metalicznych. Większość, jak mikroosadzanie stopionego metalu (micro-deposition of molten metal) czy litografia wiązką jonów (focused ion beam direct writing), są czasochłonnymi procesami i nadają się jedynie do wykonywania drobnych elementów (drobnych nawet w skali mikro).

Greer i jej współpracownicy drukowali do tej pory nano- i mikromateriały polimerowe i ceramiczne. Do drukowania wykorzystują litografię dwufotonową, która polega na utrwalaniu struktur w termoutwardzalnej żywicy przez precyzyjne „zestrzeliwanie” parą fotonów. Światło lasera (fotony) wywołuje reakcję pomiędzy cząsteczkami monomeru (prekursora polimeru), ale podobny proces nie zachodzi w przypadku metali (nie następuje także stopienie metalu – wykorzystywany laser nie dostarcza dość energii).

Rozwiązaniem okazało się włączenie metalu do cząsteczek monomeru. Utwardzanie takiego monomeru prowadzi do polimerowej sieci, w którą wbudowane są atomy metalu (w tym wypadku uzyskano poliakrylan niklu). Otrzymana struktura zostaje następnie ogrzana do temperatury 1000°C w komorze próżniowej. Organiczny polimer ulega rozkładowi i odparowuje pozostawiając szkielet z metalu. Ogrzewanie, czyli piroliza, pozwala pozbyć się polimeru i spaja atomy metalu, ale także powoduje zmniejszenie wymiarów wydruku o ok. 80% przy zachowaniu kształtu i proporcji. Korzystając z opisanej techniki otrzymano mikrorusztowania, których belki miały średnicę 300-400 nm, (tysiąc razy mniejszą od wymiarów czubka igły krawieckiej). Wytrzymałość struktur zbadano za pomocą nanotwardościomierza.

Obecnie grupa pracuje nad udoskonaleniem metody: ograniczeniem ilości zanieczyszczeń, przystosowaniem do druku innymi metalami (np. wolframem i tytanem) i umożliwieniem druku większych obiektów. Wśród potencjalnych zastosowań nanostruktur z metali badacze wymieniają trójwymiarowe mikroukłady elektromechaniczne (MEMS) czy narzędzia do mało inwazyjnych zabiegów chirurgicznych.