p (Phys.org) —A impressão 3D agora pode ser usada para imprimir microbaterias de íon-lítio do tamanho de um grão de areia. As microbaterias impressas podem fornecer eletricidade para dispositivos minúsculos em campos que vão da medicina às comunicações, incluindo muitos que permaneceram em bancadas de laboratório por falta de uma bateria pequena o suficiente para caber no dispositivo, ainda fornecer energia armazenada suficiente para alimentá-los. p Para fazer as microbaterias, uma equipe baseada na Harvard University e na University of Illinois em Urbana-Champaign imprimiu pilhas precisamente entrelaçadas de minúsculos eletrodos de bateria, cada um com menos do que a largura de um fio de cabelo humano.

p "Não apenas demonstramos pela primeira vez que podemos imprimir uma bateria em 3D, demonstramos da maneira mais rigorosa, "disse Jennifer Lewis, Ph.D., autor sênior do estudo, que também é o Professor Hansjörg Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS), e um membro do corpo docente do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia da Universidade de Harvard. Lewis liderou o projeto em seu cargo anterior na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, em colaboração com o co-autor Shen Dillon, um Professor Assistente de Ciência e Engenharia de Materiais lá.

p Os resultados serão publicados online no dia 18 de junho na revista. Materiais avançados .

p Nos últimos anos, os engenheiros inventaram muitos dispositivos miniaturizados, incluindo implantes médicos, robôs voadores semelhantes a insetos, e pequenas câmeras e microfones que cabem em um par de óculos. Mas muitas vezes as baterias que os alimentam são tão grandes ou maiores do que os próprios dispositivos - o que anula o propósito de construção pequena.

p Para contornar este problema, os fabricantes tradicionalmente depositam filmes finos de materiais sólidos para construir os eletrodos. Contudo, devido ao seu design ultrafino, essas micro-baterias de estado sólido não têm energia suficiente para alimentar os dispositivos miniaturizados do futuro.

p Os cientistas perceberam que poderiam embalar mais energia se pudessem criar pilhas de fortemente entrelaçadas, eletrodos ultrafinos que foram construídos fora do plano. Para isso, eles se voltaram para a impressão 3D. As impressoras 3D seguem as instruções dos desenhos tridimensionais do computador, depositar sucessivas camadas de material - tintas - para construir um objeto físico a partir do zero, muito parecido com empilhar um baralho de cartas de cada vez. A técnica é usada em uma variedade de campos, desde a produção de coroas em laboratórios dentários até a prototipagem rápida do setor aeroespacial, automotivo, e bens de consumo. O grupo de Lewis expandiu muito as capacidades de impressão 3D. Eles desenvolveram uma ampla gama de tintas funcionais - tintas com propriedades químicas e elétricas úteis. E eles usaram essas tintas com suas impressoras 3D personalizadas para criar estruturas precisas com a eletrônica, óptico, mecânico, ou propriedades biologicamente relevantes que desejam.

p Para imprimir eletrodos 3D, O grupo de Lewis primeiro criou e testou várias tintas especializadas. Ao contrário da tinta em uma impressora jato de tinta de escritório, que sai como gotículas de líquido que molha a página, as tintas desenvolvidas para impressão 3D baseada em extrusão devem atender a dois requisitos difíceis. Eles devem sair de bicos finos como pasta de dente de um tubo, e eles devem endurecer imediatamente em sua forma final.

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Neste vídeo, um bico de impressora 3D mais estreito do que um fio de cabelo humano estabelece uma "tinta" especialmente formulada, camada por camada, para construir o ânodo de uma microbateria a partir do solo. Ao contrário da tinta em uma impressora jato de tinta de escritório, que sai como gotas de líquido e molha um pedaço de papel, essas tintas de impressora 3D são especialmente formuladas para sair do bico como pasta de dente de um tubo, em seguida, endureça imediatamente em camadas tão estreitas quanto as produzidas por métodos de fabricação de película fina. Além disso, as tintas contêm nanopartículas de um composto de óxido de metal de lítio que dá ao ânodo as propriedades elétricas adequadas. Crédito:Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis

p Nesse caso, as tintas também tinham que funcionar como materiais eletroquimicamente ativos para criar ânodos e cátodos de trabalho, e eles tiveram que endurecer em camadas que são tão estreitas quanto as produzidas por métodos de fabricação de película fina. Para cumprir esses objetivos, os pesquisadores criaram uma tinta para o ânodo com nanopartículas de um composto de óxido de metal de lítio, e uma tinta para o cátodo de nanopartículas de outro. A impressora depositou as tintas nos dentes de dois pentes de ouro, criando uma pilha firmemente entrelaçada de ânodos e cátodos. Em seguida, os pesquisadores embalaram os eletrodos em um pequeno recipiente e encheram-no com uma solução eletrolítica para completar a bateria.

p Próximo, eles mediram quanta energia poderia ser armazenada nas pequenas baterias, quanta energia eles poderiam fornecer, e por quanto tempo eles mantiveram a carga. "O desempenho eletroquímico é comparável ao de baterias comerciais em termos de taxa de carga e descarga, ciclo de vida e densidades de energia. Só conseguimos fazer isso em uma escala muito menor, "Dillon disse.

p "Os designs inovadores de tinta de microbateria de Jennifer expandem dramaticamente os usos práticos da impressão 3D, e, simultaneamente, abrir possibilidades inteiramente novas para a miniaturização de todos os tipos de dispositivos, ambos médicos e não médicos. É extremamente emocionante, "disse o Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D.