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Voxels de 25 nm: a menor impressão 3D

Os pesquisadores desenvolveram um sistema usando um bico de 1,6 nm para imprimir objetos incrivelmente minúsculos com voxels de até 25 nm.

A impressão 3D em nanoescala é de interesse crescente para a indústria, onde vários novos aplicativos podem ser ativados. Embora haja interesse em aplicações ópticas, elétricas e de antena, talvez uma das mais importantes seja a impressão com bateria.

Quanto menor for a resolução possível, mais aplicativos podem ser alcançados. A capacidade de miniaturizar um componente aumentou em importância para aplicativos móveis onde o peso é crítico.

Os pesquisadores da ETH Zurich examinaram uma série de processos de impressão 3D em nanoescala existentes e descobriram que a resolução mais alta praticamente alcançada até agora foi com sistemas de estereolitografia de dois fótons, onde voxels podem ser feitos tão pequenos quanto 65 nm (nota: isso é igual a 0,000065 mm – muito , muito pequeno.)

Eles explicam os voxels e a nanotecnologia:

“Demonstramos uma abordagem para obter resolução em nanoescala na impressão 3D eletroquímica, que permite a fabricação de estruturas metálicas com dimensões <100 nm, inatingíveis por outros métodos eletroquímicos.”

No entanto, o problema com esse processo é que ele tem um conjunto bastante limitado de materiais para trabalhar: os fótons devem viajar através de uma resina transparente ao seu comprimento de onda. Em vez disso, os pesquisadores esperavam expandir as possibilidades materiais da impressão 3D em nanoescala usando uma abordagem eletroquímica semelhante à galvanoplastia.

A abordagem deles era usar um processo “AM eletroquímico confinado ao menisco”. A ideia aqui é que uma solução eletrolítica formará uma geometria curva à medida que emerge de um minúsculo bico devido à tensão superficial.

Esta bolha, se controlada com precisão, pode tocar uma superfície condutora e atingir uma deposição. Este gráfico ilustra como funciona o processo:

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Fonte: fabbaloo.com

Incrivelmente, o bico para este sistema tem apenas 1,6 nm de largura (0,0000016 mm), permitindo a criação de depósitos extremamente pequenos.

O maior desafio para os pesquisadores, porém, não era a deposição, mas sim a capacidade de mover o bico com precisão. Sem um movimento preciso, o controle da deposição do menisco não poderia acontecer de maneira adequada.

Seu sistema de movimento foi projetado usando posicionadores piezoelétricos, que forneciam a precisão necessária nesta escala incrivelmente pequena.

Eles explicam o controle de deposição:

“Curiosamente, o tamanho do recurso depende fortemente dos parâmetros de eletrodeposição, ou seja, a tensão de impressão e a corrente faradaica (limite de feedback). Estes determinam a quantidade de metal depositado em cada ciclo do processo. ”

Esse efeito significava que eles eram capazes de controlar o tamanho dos voxels dinamicamente durante o processo de impressão, algo que impressoras 3D maiores normalmente não podem fazer.

Um desenvolvimento muito interessante é que eles foram capazes de imprimir saliências em 3D, até 89 graus. Isso pode ser devido ao efeito limitado da gravidade sobre as quantidades de material extremamente pequenas e a forte ligação entre as camadas.

Enquanto a maioria de seus experimentos usou um bocal de 45 nm, a equipe de pesquisa decidiu ir além e testou o processo usando bicos de 2 nm e 1,6 nm.

Eles foram capazes de imprimir colunas com um diâmetro de 25 nm, talvez os menores objetos impressos em 3D. No entanto, eles descobriram que, nessa escala, as impressões eram altamente afetadas, mesmo por vibrações leves, resultando em falhas geométricas na impressão.

Sua menor impressão tinha recursos de apenas 14 nm, mas o jornal dizia que isso era “irreproduzível”, sugerindo que era um acaso. No entanto, estruturas de 25 nm parecem bastante possíveis e repetíveis.

Será que recursos ainda menores podem ser alcançados? Eles acreditam que sim, mas com uma abordagem diferente:

“Em princípio, isso poderia ser alcançado reduzindo a quantidade de metal eletrodepositado em um único ciclo de impressão em cerca de 3 ordens de magnitude. Essa pequena quantidade de carga se aproximaria do nível de várias attocoulombs (10–18 C), o que é equivalente a apenas alguns elétrons transferidos para íons de metal durante um ciclo de impressão.

 Essa quantidade minúscula de carga que deve ser equivalente à fabricação quase átomo por átomo, que é difícil de controlar em altas taxas de aquisição (∼kHz) necessárias para uma impressão confiável. Assim, AM eletroquímica nesta escala exigiria uma abordagem drasticamente diferente, onde o feedback de impressão operará em princípios físicos fundamentalmente diferentes (não com base na medição de corrente faradaica). ”

Esta é uma conquista incrível que sem dúvida será comercializada e permitirá que futuros designers de produtos alcancem possibilidades antes impossíveis. Para conhecer mais sobre os detalhes dessa conquista leia a matéria completa no site.

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