Nos últimos anos, a impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, estabeleceu-se como um novo e promissor processo de fabricação para uma ampla variedade de componentes. Dr. Dmitry Momotenko, um químico da Universidade de Oldenburg, agora conseguiu fabricar objetos de metal ultrapequenos usando uma nova técnica de impressão 3D. Em um artigo publicado em conjunto com uma equipe de pesquisadores da ETH Zurich (Suíça) e da Universidade Tecnológica de Nanyang (Cingapura) na revista científica Nano Letters , ele relata que a técnica tem aplicações potenciais em microeletrônica, tecnologia de sensores e tecnologia de baterias. A equipe desenvolveu uma técnica eletroquímica que pode ser usada para fazer objetos de cobre com apenas 25 bilionésimos de metro (equivalente a 25 nanômetros) de diâmetro. Para comparação, um cabelo humano é cerca de 3.000 vezes mais espesso que as nanoestruturas de filigrana.
A nova técnica de impressão é baseada no processo de galvanoplastia comparativamente simples e bem conhecido. Na galvanoplastia, íons metálicos carregados positivamente são suspensos em uma solução. Quando o líquido entra em contato com um eletrodo carregado negativamente, os íons metálicos se combinam com os elétrons no eletrodo para formar átomos de metal neutros que são então depositados no eletrodo e gradualmente formam uma camada metálica sólida. "Neste processo, um metal sólido é fabricado a partir de uma solução salina líquida - um processo que nós, eletroquímicos, podemos controlar de forma muito eficaz", diz Momotenko. Para sua técnica de nanoimpressão, ele usa uma solução de íons de cobre carregados positivamente em uma pequena pipeta. O líquido sai da ponta da pipeta através de um bico de impressão. Nos experimentos da equipe, a abertura do bocal tinha um diâmetro entre 253 e 1,6 nanômetros. Apenas dois íons de cobre podem passar por uma abertura tão pequena simultaneamente.

Monitorando o andamento do processo de impressão

O maior desafio para os cientistas foi que, à medida que a camada de metal cresce, a abertura do bico de impressão tende a entupir. Para evitar isso, a equipe desenvolveu uma técnica para monitorar o andamento do processo de impressão. Eles registraram a corrente elétrica entre o eletrodo substrato carregado negativamente e um eletrodo positivo dentro da pipeta e, em seguida, o movimento do bico foi ajustado de acordo em um processo totalmente automatizado:o bico aproximou-se do eletrodo negativo por um tempo muito curto e depois se retraiu assim que como a camada de metal tinha excedido uma certa espessura. Usando essa técnica, os pesquisadores aplicaram gradualmente uma camada de cobre após a outra na superfície do eletrodo. Graças ao posicionamento extremamente preciso do bico, eles conseguiram imprimir tanto colunas verticais quanto nanoestruturas inclinadas ou espirais, e até conseguiram produzir estruturas horizontais simplesmente mudando a direção de impressão.

Eles também foram capazes de controlar o diâmetro das estruturas com muita precisão - primeiro através da escolha do tamanho do bico de impressão e segundo durante o processo de impressão real com base em parâmetros eletroquímicos. Segundo a equipe, os menores objetos possíveis que podem ser impressos usando esse método têm um diâmetro de cerca de 25 nanômetros, o que equivale a 195 átomos de cobre seguidos.

Combinando impressão em metal e precisão em nanoescala

Isso significa que com a nova técnica eletroquímica é possível imprimir objetos metálicos muito menores do que jamais foram impressos antes. A impressão 3D usando pós metálicos, por exemplo – um método típico para impressão 3D de metais – atualmente pode atingir uma resolução de cerca de 100 micrômetros. Os menores objetos que podem ser produzidos usando esse método são, portanto, 4.000 vezes maiores do que os do estudo atual. Embora estruturas ainda menores possam ser produzidas usando outras técnicas, a escolha de materiais potenciais é limitada. "A tecnologia em que estamos trabalhando combina os dois mundos - impressão em metal e precisão em nanoescala", diz Momotenko. Assim como a impressão 3D provocou uma revolução na produção de componentes complexos maiores, a manufatura aditiva em micro e nanoescalas pode possibilitar a fabricação de estruturas funcionais e até dispositivos com dimensões ultrapequenas, explica.

“Catalisadores impressos em 3D com alta área de superfície e geometria especial para permitir uma reatividade particular podem ser preparados para a produção de produtos químicos complexos”, diz Momotenko. Eletrodos tridimensionais podem tornar o armazenamento de energia elétrica mais eficiente, acrescenta. O químico e sua equipe estão trabalhando para esse mesmo objetivo:em seu projeto NANO-3D-LION, eles visam aumentar drasticamente a área de superfície dos eletrodos e reduzir as distâncias entre o cátodo e o ânodo em baterias de íons de lítio por meio da impressão 3D, em para acelerar o processo de carregamento. + Explorar mais

Impressão 3D de micro-objetos metálicos