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 amplia variedad de componentes. El Dr. Dmitry Momotenko, químico de la Universidad de Oldenburg, ahora logró fabricar objetos de metal ultrapequeños utilizando una nueva técnica de impresión 3D. En un artículo publicado junto con un equipo de investigadores de ETH Zurich (Suiza) y la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) en la revista científica Nano Letters , informa que la técnica tiene aplicaciones potenciales en microelectrónica, tecnología de sensores y tecnología de baterías. El equipo ha desarrollado una técnica electroquímica que se puede utilizar para fabricar objetos de cobre de solo 25 mil millonésimas de metro (equivalente a 25 nanómetros) de diámetro. A modo de comparación, un cabello humano es unas 3000 veces más grueso que las nanoestructuras de filigrana.

La nueva técnica de impresión se basa en el proceso comparativamente simple y bien conocido de galvanoplastia. En la galvanoplastia, los iones metálicos con carga positiva se suspenden en una solución. Cuando el líquido entra en contacto con un electrodo cargado negativamente, los iones metálicos se combinan con los electrones en el electrodo para formar átomos de metal neutro que luego se depositan en el electrodo y forman gradualmente una capa de metal sólido. "En este proceso, se fabrica un metal sólido a partir de una solución de sal líquida, un proceso que nosotros, los electroquímicos, podemos controlar de manera muy efectiva", dice Momotenko. Para su técnica de nanoimpresión, utiliza una solución de iones de cobre cargados positivamente en una pequeña pipeta. El líquido emerge 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. Solo dos iones de cobre pueden pasar a través de una abertura tan pequeña al mismo tiempo.

Seguimiento del progreso del proceso de impresión

El mayor desafío para los científicos fue que, a medida que crece la capa de metal, la abertura de la boquilla de impresión tiende a obstruirse. Para evitar esto, el equipo desarrolló una técnica para monitorear el progreso del proceso de impresión. Registraron la corriente eléctrica entre el electrodo de sustrato cargado negativamente y un electrodo positivo dentro de la pipeta y luego el movimiento de la boquilla se ajustó en consecuencia en un proceso completamente automatizado:la boquilla se acercó al electrodo negativo por un tiempo muy corto y luego se retrajo tan pronto como ya que la capa de metal había excedido un cierto espesor. Usando 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 simplemente cambiando la dirección de impresión.

También pudieron controlar el diámetro de las estructuras con mucha precisión, en primer lugar mediante la elección del tamaño de la boquilla de impresión y, en segundo lugar, durante el proceso de impresión real 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 seguidos.

Combinando impresión en metal y precisión a nanoescala

Eso significa que con la nueva técnica electroquímica es posible imprimir objetos de metal mucho más pequeños que nunca antes. La impresión 3D con polvos metálicos, por ejemplo, un método típico para la impresión 3D de metales, actualmente puede lograr una resolución de alrededor de 100 micrómetros. Por lo 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 incluso más pequeñas usando otras técnicas, la elección de materiales potenciales es limitada. "La tecnología en la que estamos trabajando combina ambos mundos:la impresión en metal y la precisión a nanoescala", dice Momotenko. Así como la impresión 3D ha provocado una revolución en la producción de componentes complejos más grandes, la fabricación aditiva a micro y nanoescala podría hacer posible la fabricación de estructuras funcionales e incluso dispositivos con dimensiones ultrapequeñas, explica.

"Se podrían preparar catalizadores impresos en 3D con un área de superficie alta y una geometría especial para permitir una reactividad particular para la producción de productos químicos complejos", dice Momotenko. Los electrodos tridimensionales podrían hacer que el almacenamiento de energía eléctrica sea más eficiente, agrega. El químico y su equipo están trabajando actualmente con este mismo objetivo:en su proyecto NANO-3D-LION pretenden aumentar drásticamente el área de superficie de los electrodos y reducir las distancias entre el cátodo y el ánodo en baterías de iones de litio a través de la impresión 3D, en para acelerar el proceso de carga. + Explora más

Impresión 3D de microobjetos metálicos