Imprimindo átomo por átomo: laboratório explora impressão 3D em nanoescala

16 de dezembro de 2022

pela Universidade de Oldemburgo

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 da Universidade de Oldenburg, Alemanha.

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. Seu objetivo: “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, tecnologia de sensores e baterias: "Materiais eletrocondutores são necessários para todos os tipos de aplicações nessas áreas, então 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 Wechloy da universidade. 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.

Como mesmo as mais leves vibrações podem atrapalhar o processo de impressão, duas das impressoras estão alojadas em caixas cobertas por uma espessa camada de espuma acústica de cor escura. Além disso, estão apoiados em placas de granito, cada uma pesando 150 quilos. Ambas as medidas visam prevenir vibrações indesejadas. As lâmpadas do laboratório também funcionam com bateria porque os campos eletromagnéticos produzidos pela corrente alternada de uma tomada interfeririam nas minúsculas correntes e tensões elétricas necessárias para controlar o processo de nanoimpressão.