Forscher entwickeln eine schnellere und kostengünstigere Möglichkeit, winzige Metallstrukturen mit Licht zu drucken

Forscher am Georgia Institute of Technology haben ein lichtbasiertes Verfahren zum Drucken von Metallstrukturen in Nanogröße entwickelt, das deutlich schneller und kostengünstiger ist als jede derzeit verfügbare Technologie. Es handelt sich um eine skalierbare Lösung, die einen wissenschaftlichen Bereich verändern könnte, der lange Zeit auf Technologien angewiesen war, die unerschwinglich teuer und langsam sind. Der Durchbruch hat das Potenzial, neue Technologien aus den Laboren in die Welt zu bringen.

Technologische Fortschritte in vielen Bereichen beruhen auf der Fähigkeit, metallische Strukturen in Nanogröße zu drucken – eine Skala, die hunderte Male kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares. Sourabh Saha, Assistenzprofessor an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, und Jungho Choi, Ph.D. Student in Sahas Labor entwickelte eine Technik zum Drucken von Metallnanostrukturen, die 480-mal schneller und 35-mal billiger ist als die derzeitige herkömmliche Methode.

Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Werkstoffe.

Das Drucken von Metall im Nanomaßstab – eine Technik, die als Nanomusterung bekannt ist – ermöglicht die Schaffung einzigartiger Strukturen mit interessanten Funktionen. Es ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung vieler Technologien, darunter elektronische Geräte, Solarenergieumwandlung, Sensoren und andere Systeme.

Es wird allgemein angenommen, dass für das Drucken im Nanomaßstab hochintensive Lichtquellen erforderlich sind. Aber ein solches Werkzeug, bekannt als Femtosekundenlaser, kann bis zu einer halben Million Dollar kosten und ist für die meisten Forschungslabore und kleinen Unternehmen zu teuer.

„Als wissenschaftliche Gemeinschaft sind wir nicht in der Lage, schnell und kostengünstig genug dieser Nanomaterialien herzustellen, und deshalb bleiben vielversprechende Technologien oft auf das Labor beschränkt und werden nicht in reale Anwendungen umgesetzt“, sagte Saha .

„Die Frage, die wir beantworten wollten, lautete: ‚Brauchen wir wirklich einen hochintensiven Femtosekundenlaser, um im Nanobereich zu drucken?‘“ Unsere Hypothese war, dass wir diese Lichtquelle nicht benötigen, um die gewünschte Druckart zu erhalten.“

Sie suchten nach einem kostengünstigen Licht geringer Intensität, das auf ähnliche Weise wie Femtosekundenlaser fokussiert werden konnte, und entschieden sich aufgrund ihrer kommerziellen Verfügbarkeit für superlumineszierende Leuchtdioden (SLEDs). SLEDs emittieren Licht, das eine Milliarde Mal weniger intensiv ist als das von Femtosekundenlasern.

Saha und Choi machten sich daran, eine originelle Drucktechnologie im Projektionsstil zu entwickeln und ein System zu entwerfen, das digitale Bilder in optische Bilder umwandelt und sie auf einer Glasoberfläche anzeigt. Das System funktioniert wie ein digitaler Projektor, erzeugt jedoch schärfere Bilder. Sie nutzten die einzigartigen Eigenschaften des Superlumineszenzlichts, um scharf fokussierte Bilder mit minimalen Fehlern zu erzeugen.

Anschließend entwickelten sie eine klare Tintenlösung aus Metallsalz und fügten weitere Chemikalien hinzu, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit Licht absorbieren kann. Als Licht von ihrem Projektionssystem auf die Lösung traf, löste es eine chemische Reaktion aus, die die Salzlösung in Metall umwandelte. Die Metallnanopartikel haften an der Glasoberfläche und durch die Agglomeration der Metallpartikel entstehen die Nanostrukturen. Da es sich um eine Projektionsart des Druckens handelt, kann eine gesamte Struktur in einem Durchgang und nicht Punkt für Punkt gedruckt werden – was den Vorgang wesentlich beschleunigt.

Nachdem sie die Technik getestet hatten, stellten sie fest, dass das Drucken im Nanomaßstab im Projektionsstil auch bei Licht geringer Intensität möglich ist, jedoch nur, wenn die Bilder scharf fokussiert sind. Saha und Choi glauben, dass Forscher ihre Arbeit mit handelsüblicher Hardware problemlos reproduzieren können. Im Gegensatz zu einem teuren Femtosekundenlaser kostet der SLED-Typ, den Saha und Choi in ihrem Drucker verwendeten, etwa 3.000 US-Dollar.

„Derzeit haben nur Spitzenuniversitäten Zugang zu diesen teuren Technologien, und selbst dann befinden sie sich in gemeinsam genutzten Einrichtungen und sind nicht immer verfügbar“, sagte Choi. „Wir wollen die Möglichkeiten des nanoskaligen 3D-Drucks demokratisieren und hoffen, dass unsere Forschung die Tür für einen besseren Zugang zu dieser Art von Verfahren zu geringen Kosten öffnet.“

Die Forscher sagen, dass ihre Technik besonders nützlich für Menschen sein wird, die in den Bereichen Elektronik, Optik und Plasmonik arbeiten, die alle eine Vielzahl komplexer metallischer Nanostrukturen erfordern.

„Ich denke, dass die Kennzahlen Kosten und Geschwindigkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, die sich mit der Herstellung und Herstellung winziger Strukturen beschäftigt, stark unterbewertet wurden“, sagte Saha.

„In der realen Welt sind diese Kennzahlen wichtig, wenn es darum geht, Entdeckungen aus dem Labor in die Industrie zu übertragen. Nur wenn wir über Herstellungstechniken verfügen, die diese Kennzahlen berücksichtigen, können wir die Nanotechnologie voll zum Nutzen der Gesellschaft nutzen.“