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Technik

Metallischer 3D-Druck auf der Nanoskala

Technik Metallischer 3D-Druck auf der Nanoskala Durch ein neues elektrochemisches Druckverfahren können Forscher erstaunlich winzige und dennoch komplexe Metallgebilde herstellen. Die Technik könnte unter anderem der Entwicklung effektiverer Energiespeicher dienen 3000-mal dünner als ein Haar: Durch ein innovatives Druckverfahren können Forscher nun erstaunlich winzige und dennoch komplexe Metallobjekte herstellen. Extrem feinmotorische Bewegungen einer Nano-Pipette und elektrochemische Effekte sorgen dabei für den Aufbau der filigranen Gebilde aus Kupferatomen. Neben verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten in der Mikroelektronik könnte die Technik der Entwicklung effektiverer Energiespeicher dienen, sagen die Wissenschaftler. Additive Fertigung heißt das Fachwort: Techniken zur Herstellung dreidimensionaler Objekte im Druckverfahren haben sich mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen fest etabliert und die Entwicklung der Verfahren schreitet weiter voran. So können immer mehr Materialien eingesetzt werden und die Methoden werden verfeinert. Dieser Herausforderung widmet sich auch ein Team aus Wissenschaftlern der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und der Universität Oldenburg. Sie arbeiten daran, die Miniaturisierung von komplexen Metallobjekten immer weiter voranzutreiben. Jetzt berichten sie über ihr neu entwickeltes Verfahren, das bisherige Herstellungsmöglichkeiten offenbar deutlich übertrifft. Nanopipetten lassen metallische Winzlinge wachsen Wie die Entwickler erklären, basiert das Konzept dabei grundsätzlich auf dem Prinzip, das aus der Galvanik bekannt ist – dem Verfahren zur Beschichtung von Objekten mit metallischen Überzügen. Bei den herkömmlichen Methoden befinden sich dabei positiv geladene Metallionen in einer Lösung, in die Werkstücke getaucht werden, die mit dem Minuspol verbunden sind. „Bei diesem Verfahren bildet sich aus einer flüssigen Salzlösung festes Metall – ein Prozess, der sich sehr gut kontrollieren lässt“, sagt Senior-Autor Dmitry Momotenko von der Universität Oldenburg. Konkret verbinden sich bei der Galvanisierung die Metallionen mit Elektronen zu neutralen Metallatomen, die sich dann auf der Elektrode - dem Werkstück - absetzen. So bildet sich auf dem Objekt dann nach und nach eine Metallschicht. Für ihre Nano-3D-Drucktechnik treiben die Wissenschaftler diesen Prozess nun gleichsam auf die Spitze: Die Lösung mit positiv geladenen Kupferionen befindet sich dabei in winzigen Pipetten, deren Öffnungen an der Spitze Durchmesser zwischen 1,6 und 253 Nanometern besitzen. Die Flüssigkeit kann dort tropfenweise auf eine Elektrodenkoberfläche abgegeben werden. Durch feine Bewegungen der Pipette lassen sich dadurch komplexe Strukturen aufbauen. Bei der kleinsten Lochgröße passieren dabei nur zwei Kupferionen gleichzeitig die Öffnung, sagen Wissenschaftler. Wie sie betonen, bestand eine der größten Herausforderungen bei dem Verfahren darin, das Verstopfen der Düsen zu verhindern. Dies gelang ihnen durch eine effiziente Überwachung des Druckfortschritts sowie der Düsenfunktion. Miniaturisierung mit technischem Potenzial Durch die präzise Positionierung der Düse gelang es den Elektrochemikern dann schließlich, komplexe Nanostrukturen aus Kupfer aufzubauen: Neben senkrechten Säulen können sie auch geneigte oder Wendeltreppen-artige Gebilde drucken, indem sie die Bewegungsrichtung ändern. Der Durchmesser lässt sich dabei durch die Wahl der Druckdüsengröße einstellen und zudem während des Druckvorgangs durch Veränderungen elektrochemischer Parameter beeinflussen. Die kleinstmöglichen Objekte, die sich mit dem Verfahren drucken lassen, sind nach Angaben des Teams etwa 3000-mal dünner als ein menschliches Haar: Die Breite misst 25 Nanometer - das entspricht 195 Kupferatomen in einer Reihe. Diese Minimalwerte stellen damit alle bisherigen Möglichkeiten zum 3D-Druck von Metallen weit in den Schatten, betonen die Forscher. „Diese Technologie kombiniert nun Metalldruck und nanoskalige Präzision“, sagt Momotenko. Er und seine Kollegen sehen großes Potenzial in ihrem Verfahren: Ähnlich wie der 3D-Druck eine Revolution bei der Produktion komplexer größerer Bauteile ausgelöst habe, könnte es die additive Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala ermöglichen, völlig neuartige Objekte in sehr kleinen Dimensionen herzustellen. Mögliche Anwendungen könnten dabei in der Mikroelektronik, der Sensorik oder der Batterietechnik liegen. „Mit 3D-Druck bearbeitete Grenzflächen könnten beispielsweise auch als Katalysatoren zur Herstellung komplexer Chemikalien genutzt werden“, sagt Momotenko. Besonders heben die Entwickler allerdings hervor, dass dreidimensional strukturierte Elektroden dazu beitragen könnten, elektrische Energie effizienter zu speichern. Im Rahmen eines Projekts tüftelt sie nun auch an der Optimierung ihres Verfahrens für diesen Anwendungsbereich: Die Wissenschaftler versuchen, die Oberfläche von Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien per 3D-Druck drastisch zu vergrößern, um dadurch den Ladeprozess zu beschleunigen. Quelle: Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg, Fachartikel: Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.1c02847 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02847 BU: Bei dem neuen Nano-3D-Druckverfahren tritt an der Spitze einer winzigen Pipette eine Lösung aus positiv geladenen Kupferionen aus, die durch einen elektrochemischen Prozess Metallatome bilden, die sich zu komplexen Nanostrukturen aufbauen lassen. (Bild: Julian Hengsteler, ETH Zürich)

3000-mal dünner als ein Haar: Durch ein innovatives Druckverfahren können Forscher nun erstaunlich winzige und dennoch komplexe Metallobjekte herstellen. Extrem feinmotorische Bewegungen einer Nano-Pipette und elektrochemische Effekte sorgen dabei für den Aufbau der filigranen Gebilde aus Kupferatomen. Neben verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten in der Mikroelektronik könnte die Technik der Entwicklung effektiverer Energiespeicher dienen, sagen die Wissenschaftler.

Additive Fertigung heißt das Fachwort: Techniken zur Herstellung dreidimensionaler Objekte im Druckverfahren haben sich mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen fest etabliert und die Entwicklung der Verfahren schreitet weiter voran. So können immer mehr Materialien eingesetzt werden und die Methoden werden verfeinert. Dieser Herausforderung widmet sich auch ein Team aus Wissenschaftlern der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und der Universität Oldenburg. Sie arbeiten daran, die Miniaturisierung von komplexen Metallobjekten immer weiter voranzutreiben. Jetzt berichten sie über ihr neu entwickeltes Verfahren, das bisherige Herstellungsmöglichkeiten offenbar deutlich übertrifft.

Nanopipetten lassen metallische Winzlinge wachsen

Wie die Entwickler erklären, basiert das Konzept dabei grundsätzlich auf dem Prinzip, das aus der Galvanik bekannt ist – dem Verfahren zur Beschichtung von Objekten mit metallischen Überzügen. Bei den herkömmlichen Methoden befinden sich dabei positiv geladene Metallionen in einer Lösung, in die Werkstücke getaucht werden, die mit dem Minuspol verbunden sind. „Bei diesem Verfahren bildet sich aus einer flüssigen Salzlösung festes Metall – ein Prozess, der sich sehr gut kontrollieren lässt“, sagt Senior-Autor Dmitry Momotenko von der Universität Oldenburg. Konkret verbinden sich bei der Galvanisierung die Metallionen mit Elektronen zu neutralen Metallatomen, die sich dann auf der Elektrode – dem Werkstück – absetzen. So bildet sich auf dem Objekt dann nach und nach eine Metallschicht.

Für ihre Nano-3D-Drucktechnik treiben die Wissenschaftler diesen Prozess nun gleichsam auf die Spitze: Die Lösung mit positiv geladenen Kupferionen befindet sich dabei in winzigen Pipetten, deren Öffnungen an der Spitze Durchmesser zwischen 1,6 und 253 Nanometern besitzen. Die Flüssigkeit kann dort tropfenweise auf eine Elektrodenkoberfläche abgegeben werden. Durch feine Bewegungen der Pipette lassen sich dadurch komplexe Strukturen aufbauen. Bei der kleinsten Lochgröße passieren dabei nur zwei Kupferionen gleichzeitig die Öffnung, sagen Wissenschaftler. Wie sie betonen, bestand eine der größten Herausforderungen bei dem Verfahren darin, das Verstopfen der Düsen zu verhindern. Dies gelang ihnen durch eine effiziente Überwachung des Druckfortschritts sowie der Düsenfunktion.

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Miniaturisierung mit technischem Potenzial

Durch die präzise Positionierung der Düse gelang es den Elektrochemikern dann schließlich, komplexe Nanostrukturen aus Kupfer aufzubauen: Neben senkrechten Säulen können sie auch geneigte oder Wendeltreppen-artige Gebilde drucken, indem sie die Bewegungsrichtung ändern. Der Durchmesser lässt sich dabei durch die Wahl der Druckdüsengröße einstellen und zudem während des Druckvorgangs durch Veränderungen elektrochemischer Parameter beeinflussen. Die kleinstmöglichen Objekte, die sich mit dem Verfahren drucken lassen, sind nach Angaben des Teams etwa 3000-mal dünner als ein menschliches Haar: Die Breite misst 25 Nanometer – das entspricht 195 Kupferatomen in einer Reihe. Diese Minimalwerte stellen damit alle bisherigen Möglichkeiten zum 3D-Druck von Metallen weit in den Schatten, betonen die Forscher. „Diese Technologie kombiniert nun Metalldruck und nanoskalige Präzision“, sagt Momotenko.

Er und seine Kollegen sehen großes Potenzial in ihrem Verfahren: Ähnlich wie der 3D-Druck eine Revolution bei der Produktion komplexer größerer Bauteile ausgelöst habe, könnte es die additive Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala ermöglichen, völlig neuartige Objekte in sehr kleinen Dimensionen herzustellen. Mögliche Anwendungen könnten dabei in der Mikroelektronik, der Sensorik oder der Batterietechnik liegen. „Mit 3D-Druck bearbeitete Grenzflächen könnten beispielsweise auch als Katalysatoren zur Herstellung komplexer Chemikalien genutzt werden“, sagt Momotenko.

Besonders heben die Entwickler allerdings hervor, dass dreidimensional strukturierte Elektroden dazu beitragen könnten, elektrische Energie effizienter zu speichern. Im Rahmen eines Projekts tüftelt sie nun auch an der Optimierung ihres Verfahrens für diesen Anwendungsbereich: Die Wissenschaftler versuchen, die Oberfläche von Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien per 3D-Druck drastisch zu vergrößern, um dadurch den Ladeprozess zu beschleunigen.

Quelle: Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg, Fachartikel: Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.1c02847

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