原子ごとにプリンティング: ナノスケール 3D プリンティングを研究するラボ

Sep 06, 2023

2022 年 12 月 16 日

オルデンバーグ大学による

化学者のリアサン・カサノバ氏は、普通の石英ガラス管を非常に特殊な 3D プリンターの印刷ノズルに変えるのに 1 分もかかりません。 化学者は、厚さわずか 1 ミリメートルの毛細管を青い装置に挿入し、フラップを閉じてボタンを押します。 数秒後、大きな音が鳴り、ノズルは使用できる状態になります。

「装置内のレーザー光線がチューブを加熱し、チューブを引き離します。その後、引張力を突然増加させると、ガラスが真ん中で割れ、非常に鋭い先端が形成されます」と博士号取得中のカサノバ氏は説明する。 。 ドイツのオルデンブルク大学の電気化学ナノテクノロジーグループで化学の博士号を取得しました。

Khasanova と彼女の同僚は、信じられないほど小さな 3 次元の金属構造を印刷するために極小のノズルを必要としています。 これは、ノズルの開口部が同様に小さくなければならないことを意味します。場合によっては、単一の分子しか押し込めないほど小さい場合もあります。 「私たちは 3D プリンティングを技術の限界まで引き上げようとしています」と化学研究所のジュニア研究グループを率いるドミトリー・モモテンコ博士は言います。 彼の目標は「オブジェクトを原子ごとに組み立てたい」です。

ナノスケール 3D プリンティング、つまりサイズがわずか 10 億分の 1 メートルの物体の 3D プリンティングは、素晴らしいチャンスをもたらすと化学者は説明します。 特に金属の物体については、マイクロエレクトロニクス、ナノロボティクス、センサー、バッテリー技術などの分野での数多くの応用を想定している。「これらの分野のあらゆる種類の応用には導電性材料が必要であるため、金属は完璧な解決策となる。」

プラスチックの 3D プリントはすでにナノスケールの寸法にまで進歩していますが、3D テクノロジーを使用して小さな金属物体を製造するのはより困難であることが判明しています。 一部の技術では、印刷された構造は多くの高度な用途にはまだ千倍も大きすぎますが、他の技術では必要な純度で物体を製造することが不可能です。

Momotenko は、塩溶液中に懸濁した金属イオンをマイナスに帯電した電極と接触させる電気化学の一部門である電気めっきを専門としています。 正に帯電したイオンは電子と結合して中性金属原子を形成し、これが電極上に堆積して固体層を形成します。

「液体の塩溶液が固体の金属になります。このプロセスは、私たち電気化学者が非常に効果的に制御できます」とモモテンコ氏は言います。 これと同じプロセスが、自動車部品のクロムメッキや宝飾品の金メッキにも大規模に使用されています。

しかし、大学のウェクロイキャンパスにあるグループの小さな研究室を訪問したことで分かるように、それをナノスケールに転写するにはかなりの創意工夫、努力、注意が必要である。 Momotenko 氏が指摘するように、研究室には 3 台のプリンターがあり、すべてチーム自身によって構築およびプログラムされています。 他の 3D プリンターと同様に、印刷ノズル、印刷材料を供給するチューブ、制御機構、ノズルを動かすための機械部品で構成されていますが、これらのプリンターではすべてが通常よりも少し小型です。

着色された食塩水は、繊細なチューブを通って細い毛細管に流れ込み、毛細管には髪の毛ほどの細いワイヤー、つまり陽極が入っています。 負に分極したカソード、つまり爪より小さい金メッキのシリコンフレークで回路を閉じます。このカソードは印刷が行われる表面でもあります。 電圧が印加されると瞬時に変形するマイクロモーターと特殊な結晶が、ノズルを 3 つの空間方向すべてに 1 ミリメートルの単位で急速に動かします。

ほんのわずかな振動でも印刷プロセスが中断される可能性があるため、2 台のプリンタは濃い色の吸音フォームの厚い層で覆われた箱に収納されています。 さらに、それらはそれぞれ150キログラムの重さの花崗岩のプレートの上に置かれています。 どちらの対策も不要な振動を防ぐことを目的としています。 ソケットからの交流によって生成される電磁場が、ナノプリンティングプロセスの制御に必要な微弱な電流と電圧に干渉する可能性があるため、研究室のランプもバッテリーで駆動されています。

一方、Liaisan Khasanova 氏は、テスト印刷の準備をすべて整えました。印刷ノズルは開始位置にあり、箱は閉じられ、水色の銅溶液が入ったバイアルがチューブに接続されています。 彼女は印刷プロセスを開始するプログラムを起動します。 測定データは画面上に曲線や点として表示されます。 これらは電流の流れの変化を示しており、ノズルが基板に短時間接触してから何度も後退する様子を記録しています。 機械印刷とは何ですか？ 「ほんの数列です」と彼女は答えます。

柱は 3D プリントで生成される最も単純な幾何学的形状ですが、オルデンバーグの研究者らはスパイラル、リング、およびあらゆる種類の張り出した構造もプリントできます。 この技術は現在、銅、銀、ニッケルのほか、ニッケルマンガン合金やニッケルコバルト合金の印刷にも使用できます。 彼らの実験のいくつかでは、すでにナノ世界の奥深くまで冒険を行っています。 Momotenko と国際研究チームは、2021 年に雑誌 Nano Letters に掲載された研究で、直径わずか 25 ナノメートルの銅柱を製造したことを報告しました。これにより、3D 金属プリンティングの限界が初めて 100 ナノメートルを下回りました。

この成功の基礎の 1 つは、プリント ノズルの動きの精密な制御を可能にするフィードバック メカニズムでした。 これは、Momotenko が博士号の Julian Hengsteler と共同で開発しました。 彼は以前の勤務先であるスイスのチューリッヒ工科大学で指導していた学生でした。 「印刷ノズルを継続的に後退させることが非常に重要です。そうしないとすぐに詰まってしまいます」と化学者は説明します。

「液体の塩溶液が固体の金属になります。このプロセスは、私たち電気化学者が非常に効果的に制御できます。」

チームは、毎秒数ナノメートルの速度で小さなオブジェクトを一層ずつ印刷します。 桃天子は今でも、人間の目には見えないほど小さな物体がここで作られていることに驚きを感じています。 「触れることができる物体から始めます。その後、ある変化が起こり、これらの目に見えないものを非常に小さなスケールで制御できるようになります。これはほとんど信じられないことです。」と化学者は言います。

Momotenko 氏のナノプリンティング技術に関する計画も、かなり驚くべきものです。彼の目標は、現行モデルよりも 1,000 倍速く充電できるバッテリーの基礎を築くことです。 「それが実現できれば、数秒以内に電気自動車を充電できるでしょう」と彼は説明する。 彼が追求している基本的なアイデアはすでに20年ほど前のものです。 原理は、充電プロセス中にバッテリー内のイオンの経路を大幅に短縮することです。

これを実現するには、現在は平らな電極が三次元の表面構造を持つ必要があります。 「現在のバッテリー設計では、電極が比較的厚く、離れているため、充電に非常に時間がかかります」とモモテンコ氏は説明します。

同氏によると、その解決策は、陽極と陰極を指のようにナノスケールで連結し、それらの間の距離をわずか数ナノメートルまで縮めることだという。 これにより、イオンがアノードとカソードの間を電光石火の速度で移動できるようになります。 問題は、これまでのところ、必要なナノ寸法の電池構造を製造することができていないということです。

モモテンコはこの挑戦に挑みました。 彼の NANO-3D-LION プロジェクトでは、その目標は、高度なナノスケール 3D プリンティング技術を開発および採用して、超小型の構造的特徴を持つ活電池材料を製造することです。 以前のプロジェクトで化学研究所のギュンター・ウィットストック教授率いる研究グループとの共同作業に成功したモモテンコ氏は、オルデンブルク大学をプロジェクトの拠点とすることに決めた。 「研究移転省が私の助成金申請にとても協力してくれたので、2021 年の初めにチューリッヒからここに引っ越してきました」と彼は説明します。

彼の研究グループには現在 4 人のメンバーがいます。 学生のカルナ・ケネスと修士課程の学生シモン・シュプレンゲルがチームに加わりました。 ケーンズは印刷ノズルの精度の最適化を目的とした新しい方法に焦点を当て、一方、シュプレンゲルは 2 つの異なる金属の組み合わせを印刷する可能性を研究しています。これは、カソードとアノードの材料を 1 つのステップで同時に製造するために必要なプロセスです。

Liaisan Khasanova 氏は間もなくリチウム化合物に焦点を当てる予定です。 彼女の使命は、現在リチウム電池に使用されている電極材料を 3D プリンティングを使用してどのように構造化できるかを解明することです。 研究チームは、リチウム鉄やリチウム錫などの化合物を調査し、電極表面のナノ「フィンガー」の大きさはどれくらい必要か、実現可能な間隔はどれくらいか、電極をどのように配置すべきかをテストする予定だ。

ここでの大きなハードルの 1 つは、リチウム化合物は反応性が高く、制御された条件下でのみ取り扱うことができることです。 このため、研究チームは最近、アルゴンなどの不活性ガスを充填できる気密密閉チャンバーである実験用グローブ ボックスの特大バージョンを入手しました。 片側には取り扱い用の手袋が組み込まれており、研究者はそれを使って内部の物体を操作できます。

長さ約3メートル、重さ0.5トンのこのチャンバーはまだ稼働していないが、チームはその中に別のプリンターを設置する予定だ。 「材料の化学変換やその他すべてのテストもチャンバー内で実行する必要があります」とモモテンコ氏は説明する。

チームは、プロジェクトの過程でいくつかの大きな疑問に直面することになるだろう。アルゴン雰囲気中の小さな不純物は、印刷されたリチウムナノ構造にどのような影響を与えるのか? バッテリーを数秒以内に充電するときに必然的に発生する熱をどのように放散するか? 小さなバッテリーセルだけでなく、携帯電話や自動車に電力を供給するための大きなバッテリーも適切な時間内に印刷するにはどうすればよいでしょうか?

「一方で、私たちは活性電極材料をナノスケールで製造するために必要な化学に取り組んでいます。他方では、印刷技術をこれらの材料に適応させようとしています」と、Momotenko 氏は現在の課題の概要を述べています。

エネルギー貯蔵の問題は非常に複雑であり、彼のチームがそれを解決する上で果たせる役割はほんのわずかである、と研究者は強調する。 それにもかかわらず、彼は自分のグループが良いスタート地点に立っていると考えています。彼の意見では、金属の電気化学 3D プリンティングが、ナノ構造電極を製造し、そのコンセプトをテストするための現時点で唯一の実行可能な選択肢です。

バッテリー技術に加えて、化学者は他の大胆なコンセプトにも取り組んでいます。 彼は、印刷技術を使用して、これまでに可能であったものよりも化学反応をよりターゲットを絞って制御できる金属構造を作成したいと考えています。 このような計画は、電子の量子力学特性である「スピン」の操作に焦点を当てたスピントロニクスとして知られる比較的若い研究分野で役割を果たしている。

彼が実現したいと考えているもう 1 つのアイデアは、個々の分子を検出できるセンサーを製造することです。 「これは医学において、たとえば非常に低濃度の腫瘍マーカーやアルツハイマー病のバイオマーカーを検出するのに役立つでしょう」とモモテンコ氏は言う。

これらすべてのアイデアは、化学においてはまだ非常に新しいアプローチです。 「それがどのように機能するかはまだ明らかではありません」と彼は認めます。 しかし、それは科学の世界のあり方です。「意味のある研究プロジェクトには長い検討と計画が必要で、最終的にはほとんどのアイデアは失敗に終わります」と彼は結論づけています。 しかし、そうでないこともあります。そして彼と彼のチームはすでに、その旅の最初の成功した一歩を踏み出しています。

オルデンブルク大学提供