Naukowcy z Georgia Institute of Technology opracowali metodę drukowania nanostruktur metalowych wykorzystującą światło, która jest znacznie szybsza i tańsza niż jakakolwiek obecnie dostępna technologia. Jest to skalowalne rozwiązanie, które może przekształcić dziedzinę nauki od dawna uzależnioną od technologii, które są zbyt drogie i powolne. Przełom może potencjalnie wyprowadzić nowe technologie z laboratoriów na świat.
Postęp technologiczny w wielu dziedzinach opiera się na możliwości drukowania struktur metalicznych o rozmiarach nano – czyli w skali setki razy mniejszej niż szerokość ludzkiego włosa. Sourabh Saha, adiunkt w Szkole Inżynierii Mechanicznej George'a W. Woodruffa i Jungho Choi, doktorant. student w laboratorium Saha, opracował technikę drukowania nanostruktur metalowych, która jest 480 razy szybsza i 35 razy tańsza niż obecna konwencjonalna metoda.
Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Materials.
Drukowanie metalu w nanoskali – technika zwana nanopatterning – pozwala na tworzenie unikalnych struktur o ciekawych funkcjach. Ma kluczowe znaczenie dla rozwoju wielu technologii, w tym urządzeń elektronicznych, konwersji energii słonecznej, czujników i innych systemów.
Powszechnie uważa się, że do drukowania w nanoskali wymagane są źródła światła o dużej intensywności. Jednak tego typu narzędzie, znane jako laser femtosekundowy, może kosztować nawet pół miliona dolarów i jest zbyt drogie dla większości laboratoriów badawczych i małych firm.
„Jako społeczność naukowa nie jesteśmy w stanie szybko i niedrogo wyprodukować wystarczającą ilość nanomateriałów, dlatego obiecujące technologie często ograniczają się do laboratorium i nie przekładają się na zastosowania w świecie rzeczywistym” – stwierdziła Saha. .
„Pytanie, na które chcieliśmy odpowiedzieć, brzmi: «Czy naprawdę potrzebujemy lasera femtosekundowego o dużej intensywności do drukowania w nanoskali?» Naszą hipotezą było to, że nie potrzebujemy tego źródła światła, aby uzyskać pożądany rodzaj druku”.
Poszukiwali taniego światła o niskiej intensywności, które można by skupić w sposób podobny do laserów femtosekundowych, i wybrali superluminescencyjne diody elektroluminescencyjne (SLED) ze względu na ich komercyjną dostępność. Diody SLED emitują światło miliard razy słabsze niż lasery femtosekundowe.
Saha i Choi postanowili stworzyć oryginalną technologię druku projekcyjnego, projektując system, który konwertuje obrazy cyfrowe na obrazy optyczne i wyświetla je na szklanej powierzchni. System działa jak projektory cyfrowe, ale generuje ostrzejsze obrazy. Wykorzystali unikalne właściwości światła superluminescencyjnego, aby wygenerować ostre obrazy z minimalnymi defektami.
Następnie opracowali przezroczysty roztwór atramentu składający się z soli metalu i dodali inne chemikalia, aby upewnić się, że płyn może pochłaniać światło. Kiedy światło z ich systemu projekcyjnego uderzyło w roztwór, spowodowało reakcję chemiczną, w wyniku której roztwór soli przekształcił się w metal. Nanocząsteczki metalu przyklejają się do powierzchni szkła, a aglomeracja cząstek metalu tworzy nanostruktury. Ponieważ jest to druk projekcyjny, można wydrukować całą konstrukcję za jednym razem, a nie punkt po punkcie, co znacznie przyspiesza.
Po przetestowaniu tej techniki odkryli, że drukowanie w nanoskali w stylu projekcyjnym jest możliwe nawet przy świetle o niskim natężeniu, ale tylko wtedy, gdy obrazy są ostre. Saha i Choi uważają, że badacze mogą z łatwością powtórzyć swoją pracę, korzystając z dostępnego na rynku sprzętu. W przeciwieństwie do drogiego lasera femtosekundowego, rodzaj diod SLED, których Saha i Choi użyli w swojej drukarce, kosztuje około 3000 dolarów.
„Obecnie tylko czołowe uniwersytety mają dostęp do tych drogich technologii, a nawet wtedy są one zlokalizowane we wspólnych obiektach i nie zawsze są dostępne” – powiedział Choi. „Chcemy zdemokratyzować możliwości druku 3D w nanoskali i mamy nadzieję, że nasze badania otworzą drzwi do większego dostępu do tego typu procesów przy niskich kosztach”.
Naukowcy twierdzą, że ich technika będzie szczególnie przydatna dla osób pracujących w dziedzinach elektroniki, optyki i plazmoniki, które wymagają różnorodnych złożonych nanostruktur metalicznych.
„Myślę, że w społeczności naukowej zajmującej się wytwarzaniem i wytwarzaniem maleńkich konstrukcji znacznie niedoceniano wskaźniki kosztów i szybkości” – stwierdziła Saha.
„W prawdziwym świecie te wskaźniki są ważne, jeśli chodzi o przełożenie odkryć z laboratorium na przemysł. Tylko wtedy, gdy będziemy dysponować technikami produkcyjnymi, które uwzględniają te wskaźniki, będziemy w stanie w pełni wykorzystać nanotechnologię z korzyścią dla społeczeństwa”.