Atomen zijn net legoblokjes. Je kan er letterlijk alles wat bestaat, van bouwen. Kluitjes koper van slechts enkele atomen breed zijn het laatste wapenfeit.
Een klein boek op de doorsnede van een mensenhaar
De Duits-Oekraiense chemicus Dmitrij Momotenko is er met zijn team in geslaagd om extreem kleine koperen voorwerpen te printen. De kleinste voorwerpen zijn slechts 25 nm breed. Dat is enkele tientallen atomen. Om een indruk te geven hoe klein dat is: als je met deze techniek letters zou printen, zou je op de doorsnede van een mensenhaar de inhoud van een klein boek kunnen afdrukken.
Dit is nog acht keer zo groot als de afmetingen die met de allerbeste EUV techniek van ASML binnen bereik liggen. In principe is deze techniek in staat om één atoom tegelijk te printen.
Galvaniseren op de nanometer
Het principe van galvaniseren is al vier eeuwen bekend. Alleen deze keer is het ongelooflijk nauwkeurig. Een oplossing met koperionen komt in contact met een negatief geladen elektrode.
Omdat koperionen positief geladen zijn, met andere woorden, elektronen missen, veranderen ze in neutrale koperatomen als ze een (negatief geladen) elektron opnemen. Het gevolg is dat je een klein kluitje koper krijgt op de plek van de elektrode. Zo vormt zich een stevige metalen laag, op nanometers nauwkeurig.
“Inkjet” printer op nanoschaal
De “inkt”, de druppels met koperionen, stroomt naar buiten door een heel fijn mondstuk met een diameter van 1,6 tot 253 nm. 1,6 nanometer is zó klein dat er maar twee koper ionen tegelijk doorheen kunnen. Zodra een druppeltje van deze oplossing op het negatief geladen oppervlak terechtkomt, verandert dit druppeltje op deze manier in een kluitje koper. Ongeveer zoals een inkjet printerkop werkt dus, maar dan op atoomschaal.
Zo makkelijk als het hier klinkt, was het niet. Want de snelgroeiende bergjes koper hebben de neiging de printkop snel te verstoppen. Maar dankzij een slimme techniek konden ze dit proces voor zijn. Zodra de printkop kortsluiting dreigt te maken, trekt deze terug. Op deze manier konden ze zowel verticale kolommen als schuine en spiraalvormige vormen, zelfs horizontale vormen printen.
4000 keer kleiner dan nu
Op dit moment bereiken 3D-metaalprinters een nauwkeurigheid van 100 micrometer. Dit is gelijk aan de dikte van een mensenhaar. Deze werken met metaalpoeder. Met deze nieuwe techniek is de nauwkeurigheid 4000 keer zo groot. Of moeten we zeggen, klein? Dat bestaande record gaat dus met deze nieuwe techniek compleet aan gruzelementen.
Awesome, zal je tegen jezelf zeggen. Maar wanneer gaat een tube vol nanorobotjes mijn lege blikjes cola in reservesleutels omzetten? Nog even geduld. De toepassingen liggen nu vooral in de chemische industrie, zegt Momotenko, en bijvoorbeeld betere batterijen.
Hoe fijner vertakt oppervlaktes zijn, hoe zuiniger en nauwkeuriger reacties verlopen. Zo kan je met minder energie en minder vervuiling, meer produceren. En er is ook een toepassing die heel interessant is voor consumenten zoals wij. Want met fijnvertakte elektroden in batterijen, laadt onze telefoon veel sneller op.
Bron:
Dmitry Momotenko et al., Bringing Electrochemical Three-Dimensional Printing to the Nanoscale, Nano Lett.2021, 21, 21, 9093–9101, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02847
