近原子尺寸的3D打印,，將電化學(xué)制造帶入納米級(jí)

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

導(dǎo)讀：近年來(lái)，3D打�,。ɑ蚍Q(chēng)增材制造）,，已經(jīng)成為一種很有前途的新制造工藝，可用于各種各樣的部件,。這其中的納米級(jí)3D打印作為一種替代性的制造技術(shù)正逐漸吸引著人們的注意,，其應(yīng)用范圍從電子學(xué)和納米光學(xué)到傳感、納米機(jī)器人和能源儲(chǔ)存,。目前,，最先進(jìn)的3D打印技術(shù)中不斷縮小的臨界尺寸要求以納米分辨率制造復(fù)雜的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。電化學(xué)技術(shù)能夠生產(chǎn)出具有卓越電氣和機(jī)械性能的無(wú)雜質(zhì)金屬導(dǎo)體,，然而,，真正的納米級(jí)分辨率（<100納米）仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)近日,，南極熊了解到,，一位來(lái)自德國(guó)歐登堡大學(xué)的化學(xué)家Dmitry Momotenko就利用一種新3D打印技術(shù)制造出尺寸達(dá)納米級(jí)別的超小金屬物體，在電化學(xué)3D打印領(lǐng)域設(shè)立了一個(gè)新的基準(zhǔn),。他與來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和新加坡南洋理工大學(xué)的一組研究人員在《納米快報(bào)》上發(fā)表的相關(guān)研究報(bào)告稱(chēng),，該技術(shù)在微電子學(xué)、傳感器技術(shù)和電池技術(shù)方面有潛在的應(yīng)用前景,。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種電化學(xué)技術(shù),，可以用直徑僅為25納米的銅制造物體,。作為對(duì)比，人類(lèi)的頭發(fā)大約是金銀絲納米結(jié)構(gòu)的3000倍厚,。

△新3D打印技術(shù)可用于生產(chǎn)各種極小的金屬物體,。圖片來(lái)源：作者Julian Hengsteler

這種新打印技術(shù)是建立在相對(duì)簡(jiǎn)單和眾所周知的電鍍工藝基礎(chǔ)上的,。在電鍍中,，帶正電的金屬離子懸浮在溶液中。當(dāng)液體與帶負(fù)電荷的電極接觸時(shí),，金屬離子與電極中的電子結(jié)合形成中性金屬原子,，沉積在電極上，逐漸形成固體金屬層,。

“在這個(gè)過(guò)程中,，固體金屬是從液態(tài)鹽溶液中制造出來(lái)的，電化學(xué)家可以非常有效地控制這個(gè)過(guò)程,�,！盡omotenko說(shuō),。在這種納米打印技術(shù)中,，他在一個(gè)微小的吸管中使用了一種帶正電的銅離子溶液。液體從移液管的頂端通過(guò)打印噴嘴流出,。在實(shí)驗(yàn)中,，噴嘴開(kāi)口的直徑在253到1.6納米之間。只有兩個(gè)銅離子可以同時(shí)通過(guò)這么小的開(kāi)口,。

△圖：(a) 打印裝置的示意圖,，包含電解質(zhì)溶液和準(zhǔn)參考反電極的噴嘴被放置在構(gòu)成雙電極電化學(xué)電池工作電極的導(dǎo)電基片上面，基板和噴嘴通過(guò)壓電納米定位器相互平移,。(b) 體素的打印過(guò)程示意圖,。(c-e) 使用253納米噴嘴的3D打印結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像。

在3D打印中,，科學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)是,，隨著金屬層的增長(zhǎng)，打印噴嘴的開(kāi)口往往會(huì)堵塞,。為了防止這種情況的發(fā)生,，研究小組開(kāi)發(fā)了一種監(jiān)測(cè)印刷過(guò)程的技術(shù)。他們記錄了吸管內(nèi)帶負(fù)電荷的襯底電極和正極之間的電流,，然后在一個(gè)完全自動(dòng)化的過(guò)程中調(diào)整噴嘴的移動(dòng)：噴嘴在極短的時(shí)間內(nèi)接近負(fù)極,，一旦金屬層超過(guò)一定厚度，噴嘴就縮回,。

利用這種技術(shù),，研究人員逐漸將一層又一層的銅層涂到電極表面。由于噴嘴的精確定位,，他們能夠打印垂直柱和傾斜或螺旋的納米結(jié)構(gòu),，甚至可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變打印方向來(lái)打印水平結(jié)構(gòu)。

他們還能夠非常精確地控制結(jié)構(gòu)的直徑,。首先,，通過(guò)選擇打印噴嘴的大小，其次在實(shí)際打印過(guò)程中基于電化學(xué)參數(shù),。研究小組表示,，使用這種方法可以打印出的最小物體直徑約為25納米，這相當(dāng)于195個(gè)銅原子排成一排,。

△圖：打印的傾斜和懸空的特征都是用45納米的噴嘴開(kāi)口打印的。(a) 傾斜的柱子的SEM圖像,；(b) 顯示打印過(guò)程的示意圖,；(c) 用這種方法打印的字母 "E",、"T "和 "H"（圖像以30度角拍攝）

這意味著有了新的電化學(xué)技術(shù)，可以打印出比以前小得多的金屬物體,。例如,，利用金屬粉末進(jìn)行3D打印（一種典型的金屬3D打印方法）,，目前可以達(dá)到大約100微米的分辨率,。因此，用這種方法可以制造出的最小物體比目前研究中的要大4000倍,。

雖然更小的結(jié)構(gòu)也可以用其他技術(shù)生產(chǎn)，但潛在材料的選擇是有限的,�,！拔覀冋�在研究的技術(shù)結(jié)合了金屬印刷和納米級(jí)精度,。”Momotenko解釋說(shuō),，正如3D打印引發(fā)了一場(chǎng)生產(chǎn)復(fù)雜的大型部件的革命，微型和納米級(jí)的增材制造可以制造功能結(jié)構(gòu)，甚至是超小尺寸的設(shè)備,。

“3D打印催化劑具有高表面積和特殊的幾何形狀，允許特定的反應(yīng)活性,，可用于生產(chǎn)復(fù)雜的化學(xué)品�,！盡omotenko補(bǔ)充說(shuō),，三維電極可以提高電能儲(chǔ)存的效率,。他和團(tuán)隊(duì)目前正朝著這個(gè)目標(biāo)努力，通過(guò)3D打印大幅增加鋰離子電池中電極的表面積,，減少負(fù)極和負(fù)極之間的距離，以加快充電過(guò)程,。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02847