Por primera vez, Es posible crear estructuras metálicas complejas a nanoescala utilizando impresión 3-D, gracias a una nueva técnica desarrollada en Caltech.

El proceso, una vez ampliado, podría utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones, desde la construcción de pequeños implantes médicos hasta la creación de circuitos lógicos tridimensionales en chips de computadora y la ingeniería de componentes de aviones ultraligeros. También abre la puerta a la creación de una nueva clase de materiales con propiedades inusuales que se basan en su estructura interna. La técnica se describe en un estudio que se publicará en Comunicaciones de la naturaleza el 9 de febrero.

En la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, un objeto se construye capa por capa, permitiendo la creación de estructuras que serían imposibles de fabricar mediante métodos sustractivos convencionales como el grabado o el fresado. La científica de materiales de Caltech, Julia Greer, es pionera en la creación de arquitecturas tridimensionales ultrafinas construidas mediante fabricación aditiva. Por ejemplo, ella y su equipo han construido celosías tridimensionales cuyas vigas tienen apenas nanómetros de diámetro, demasiado pequeñas para ser vistas a simple vista. Estos materiales exhiben inusuales, propiedades a menudo sorprendentes; El equipo de Greer ha creado cerámicas excepcionalmente ligeras que recuperan su forma original, esponja después de ser comprimido.

El grupo de Greer imprime estructuras en 3-D de una variedad de materiales, desde cerámicas hasta compuestos orgánicos. Rieles, sin embargo, han sido difíciles de imprimir, especialmente cuando se trata de crear estructuras con dimensiones inferiores a 50 micrones, o aproximadamente la mitad del ancho de un cabello humano.

La forma en que funciona la impresión 3-D a nanoescala es que un láser de alta precisión golpea el líquido en ubicaciones específicas del material con solo dos fotones, o partículas de luz. Esto proporciona suficiente energía para endurecer los polímeros líquidos en sólidos, pero no lo suficiente para fundir el metal.

"Los metales no responden a la luz de la misma manera que las resinas poliméricas que usamos para fabricar estructuras a nanoescala, "dice Greer, profesor de ciencia de los materiales, mecánica, e ingeniería médica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech. "Hay una reacción química que se desencadena cuando la luz interactúa con un polímero que le permite endurecerse y luego tomar una forma particular. En un metal, este proceso es fundamentalmente imposible ".

El estudiante graduado de Greer, Andrey Vyatskikh, encontró una solución. Usó ligandos orgánicos, moléculas que se unen al metal, para crear una resina que contiene principalmente polímero, pero que lleva consigo metal imprimible, como un andamio.

En el experimento descrito en el artículo de Nature Communications, Vyatskikh unió níquel y moléculas orgánicas para crear un líquido que se parece mucho al jarabe para la tos. Diseñaron una estructura usando software de computadora, y luego lo construyó zapeando el líquido con un láser de dos fotones. El láser crea enlaces químicos más fuertes entre las moléculas orgánicas, Endureciéndolos en bloques de construcción para la estructura. Dado que esas moléculas también están unidas a los átomos de níquel, el níquel se incorpora a la estructura. De este modo, el equipo pudo imprimir una estructura 3-D que inicialmente era una mezcla de iones metálicos y no metálicos, moléculas orgánicas.

Vyatskikh luego puso la estructura en un horno que lentamente la calentó a 1, 000 grados Celsius (alrededor de 1, 800 grados Fahrenheit) en una cámara de vacío. Esa temperatura está muy por debajo del punto de fusión del níquel (1, 455 grados Celsius, o alrededor de 2, 650 grados Fahrenheit) pero es lo suficientemente caliente como para vaporizar los materiales orgánicos en la estructura, dejando solo el metal. El proceso de calentamiento, conocido como pirólisis, también fusionó las partículas de metal.

Además, debido a que el proceso vaporizó una cantidad significativa del material de la estructura, sus dimensiones se redujeron en un 80 por ciento, pero mantuvo su forma y proporciones.

"Esa contracción final es una gran parte de la razón por la que podemos lograr que las estructuras sean tan pequeñas, "dice Vyatskikh, autor principal del artículo de Nature Communications. "En la estructura que construimos para el papel, el diámetro de las vigas de metal en la parte impresa es aproximadamente 1/1000 del tamaño de la punta de una aguja de coser ".

Greer y Vyatskikh todavía están perfeccionando su técnica; ahora, la estructura sobre la que se informa en su artículo incluye algunos huecos dejados por los materiales orgánicos vaporizados, así como algunas impurezas menores. También, si la técnica va a ser útil para la industria, deberá ampliarse para producir mucho más material, dice Greer. Aunque empezaron con el níquel, están interesados ​​en expandirse a otros metales que se usan comúnmente en la industria, pero son difíciles o imposibles de fabricar en pequeñas formas tridimensionales, como tungsteno y titanio. Greer y Vyatskikh también buscan utilizar este proceso para imprimir en 3D otros materiales, tanto comunes como exóticos, como la cerámica, semiconductores, y materiales piezoeléctricos (materiales con efectos eléctricos que resultan de tensiones mecánicas).