Foschung: Neues 3D-Druck-Verfahren ermöglicht Materialstruktur auf Nanoebene zu erstellen

Forscher der Washington State University (WSU) haben eine 3D-Herstellungsmethode zum Patent angemeldet, mit der sie die Architektur eines Materials, dessen Größe im Nanobereich angesiedelt ist, genau bestimmen und bei der Produktion überwachen können.

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Washington State University (WSU) Logo.Mit dem neuartigen Verfahren ist es möglich, komplexe natürliche Materialien wie beispielsweise Holz und Knochen, zu imitieren. Die so erzeugten Mikrostrukturen könnten beispielsweise in Batterien, Katalysatoren, Superkondensatoren, biologischen Gerüsten und auch in anderen leichten Materialien eingesetzt werden.

Das Forscherteam der WSU veröffentlichte seine Arbeit unter dem Titel „Three-dimensional microarchtected materials and devices using nanoparticle assembly by pointwise spatial printing“ im Science Advances Journal. Geleitet wurde das Forscherteam um Mohammad Sadeq Saleh und Chunshan Hu vom Associate Professor Rahul Panat. Letzterer äußerte, dass die neue Methode „einen bahnbrechenden Fortschritt in der 3D-Architektur von Materialien bei Nano- und Mikroskalen“ darstelle. „Diese Technik kann viele kritische Lücken für die Realisierung dieser Technologien ausfüllen“, so Panat weiter.

Verschiedene Strukturen.
Verschiedene 3-gedruckte Strukturen in Nanogröße. (Bild: © Science Advances)

Funktionsweise des Verfahrens

Bei diesem neuen 3D-Druckverfahren werden Mikrotröpfchen, die Silber-Nanopartikel enthalten und Nebel ähneln, hergestellt und dann an bestimmten Stellen abgesetzt. Die Nanopartikel bleiben bestehen, während die Flüssigkeit verdampft. Dadurch lassen sich poröse, starke und zugleich sehr zarte Strukturen erschaffen. Diese winzigen Strukturen weisen eine große Fläche auf und sollen einem Objekt ähneln, dass man mit Tinkertoys herstellen könnte. Anstelle von Silber kann nach Angaben Panats auch jedes andere Material verwendet werden, das sich in Nanopartikel zerkleinern lässt.

Entwicklungsschritte.
Schematische Darstellung der Entwicklung von Nanomaterialien. (Bild: © Science Advances)

In der Zusammenfassung der Forschungsarbeit heißt es unter anderem, dass „dreidimensionale hierarchische Materialien für eine breite Palette an aufkommenden technologischen Anwendungen wichtig seien.“ Dazu gehören beispielsweise die Synthese komplexer 3D-Mikrostrukturen, beispielsweise Mikrogitter, die einen Mindestdurchmesser von ungefähr 20 µg aufweisen und mit Traversen verbunden sind. Bei einer Änderung der Nachverarbeitungsbedingungen habe man nun auch eine zusätzliche Kontrolle über die innere Porosität der Traversenelemente eingeführt. Die Methode selbst nutzt das Direktdrucken von Nanopartikeldispersionen unter Einsatz der Aerosol Jet-Technologie im 3D-Raum, ohne dass Templat- oder Stützmaterialien zum Einsatz kommen.

Verschiedene Materialien.
Die in Nanogröße hergestellten Materialien sind sehr flexibel einsetzbar. (Bild: © Science Advances)

Zugleich wurden für den Zusammenbau auch dehnbare Zwischenverbindungen, Spiralen und Säulen hergestellt. Das Zusammenbau-Verfahren könnte auch zur schnellen und Herstellung von hierarchischen Materialen im großtechnischen Umfang, eingesetzt werden beispielsweise bei der Gewebeherstellung, bei der Produktion ultraleichter und multifunktioneller Materialien, in der Mikrofluidik und in der Mikrooptoelektronik.

Den Forschern gelang es zudem, eine „3D-Mikroskala-Montagemethode für Nanopartikel“ zu entwickeln, um so auch selbstgestützte komplexe Architekturen bilden zu können, die Belastungen standhält. Weitere Vorteile der neuen Fertigungsmethode sind im geringen Abfall, der möglichen großtechnischen Fertigung und in der Effizienz des 3D-Drucks zu sehen. Zugleich möchte das Forscherteam in Zukunft nanoskalige und poröse Metallkonstruktionen für industrielle Zwecke entwickeln. Derzeit arbeiten sie an detaillierten, porösen Katoden und Anoden für Batterien, und möchten so dafür sorgen, dass die Batteriekapazität deutlich erhöht wird.

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