Veijo Hänninen

Materiaaleja printaten

Syyskesän materiaalitekniset tutkimusjulkaisut luovat uusia mahdollisuuksia kolmiulotteiselle tulostamiselle

Carnegie Mellon yliopiston professori Reeja Jayan on tehnyt läpimurron siitä, miten mikroaallot vaikuttavat keramiikan materiaalikemiaan.

Aikoinaan hän ja muut tutkijat ovat osoittaneet, että mikroaaltosäteily mahdollisti lämpötilakiteytymisen ja keraamisten oksidien kasvun. Kuinka mikroaallot tekivät tämän, ei ymmärretty hyvin, ja siten hän on viime aikoina tutkinut mikroaaltosäteilyn vaikutuksia materiaalien kasvuun.

Nyt he ovat löytäneet dynamiikan siitä, miten mikroaallot vaikuttavat tiettyihin kemiallisiin sidoksiin synteesin aikana ja se luo pohjan räätälöidyille keraamisille materiaaleille, joilla on uusia elektronisia, termisiä ja mekaanisia ominaisuuksia.

"Kun tunnemme dynamiikan, voimme käyttää tätä tietämystä materiaalien valmistamiseen, jotka ovat kaukana tasapainosta sekä suunnitella uusia energiatehokkaita prosesseja olemassa oleville materiaaleille, kuten keramiikan 3D-tulostus", hän sanoo yliopistonsa tiedotteessa.

Keraamisten materiaalien integrointi nykypäivän 3D-tulostustekniikoihin on ollut haaste, koska keramiikka on hauras, vaatien erittäin korkeita lämpötiloja, eikä täysin ymmärretty, miten niiden ominaisuuksia hallitaan printtausprosessin aikana.

Magneettinen pumppu 3D-tulostuksella

MIT:n tutkijat printtasivat puolestaan pienen magneettitoimisen pumpun 75 minuutissa yhdellä prosessilla käyttäen useita materiaaleja, joiden hinta oli alle neljä dollaria yksikköä kohti.

Printattu pumppu pystyy siirtämään sekä nesteitä että kaasuja käyttäen vähemmän tehoa ja ne ovat vähemmän tukkeutuneita kuin tavanomaiset tämän kokoiset pumput.

Tutkija Luis Fernando Velásquez-García johti pumppua rakentanutta ryhmää. Hänen mukaansa tehokasta ja kannettavaa pumppua voidaan käyttää sovelluksissa "sähköntuotannon polttokennoista lämmönvaihtimiin", jotka jäähdyttävät tietokoneen siruja.

Tutkijat tulostivat pumpun kahdella tavalla, käyttäen Nylon 12:ta molempien rakennemateriaalina. Ensimmäisessä pumpussa magneetti on puristussovitettu männän sulkevaan rakenteeseen. Toisella monoliittisella pumpulla tutkijat käyttivät neodyynimagneetin (NdFeB) mikropartikkeleihin upotettua Nylon 12:ta pumpun magneettisen ytimen luomiseen.

Pumppua ohjaa ulkopuolinen pyörivä magneetti, joka on vuorovaikutuksessa sisäisen magneetin kanssa männän liikuttamiseksi siirtämään nestettä tai kaasua yhdestä aukosta toiseen.

Elektronisäteellä atomimittakaavan 3D-kuvanveistoa

Muuttamalla tiukasti kohdennettujen elektronisäteiden energiaa ja annosta Georgia Techin tutkijat ovat osoittaneet kyvyn sekä syövyttää että saostaa korkean resoluution nanomittaisia kuvioita kaksiulotteisiin grafeenioksidikerroksiin.

Kolmiulotteinen lisäaine-/vähennystyöstö voidaan tehdä muuttamatta elektronisäteilytyksen saostuskammion kemiaa, mikä antaa perustan uuden sukupolven nanokokoisten rakenteiden tuottamiselle.

Kohdennetun elektronisuihkun aiheuttaman prosessoinnin (FEBID) tekniikoilla voisi mahdollistaa 2D/3D-kompleksisten nanorakenteiden ja toiminnallisten nanolaitteiden tuottamisen.

Happea sisältäville materiaaleille, kuten grafeenioksidille, syövytys voidaan tehdä lisäämättä ulkopuolisia materiaaleja käyttämällä substraatista peräisin olevaa happea.

Nanomittakaavan rakenteiden luominen tapahtuu perinteisesti käyttämällä monivaiheisia prosesseja. Niiden käyttö rajoittaa saavutettavia toiminnallisuuksia ja rakenteellisia topologioita.

Tekniikan avulla korkeaenergiset elektronisäteet voivat tuottaa muutaman nanometrin levyisiä ominaisuuskokoja. Pintoihin syövytetyt kaivannot voitaisiin täyttää metalleilla tuomalla prosessiin esiasteita sisältäviä metalliatomeja.

Toisaalta 3D-rakenteet, jotka ovat vain nanometrien korkuisia, voivat toimia välikappaleina grafeenikerrosten välillä tai aktiivisina tunnistuselementteinä tai muina kerrosten rakenteina.

"Esittelemme rakenteita, joita muuten olisi mahdotonta tuottaa", toteavat tutkija. "Haluamme mahdollistaa uusien ominaisuuksien hyödyntämisen esimerkiksi kvanttilaitteiden parissa. Tämä tekniikka voi olla mielikuvituksen mahdollistava mielenkiintoinen uusi fysiikka, joka tulee eteen grafeenin ja muiden mielenkiintoisten materiaalien kanssa."

Kuvassa on tämän elektronisäteisen suorapiirtoprosessin kaksi puolta, yksi syövytykseen ja toinen 3D-kerrostamiseen. Suurempi kuva

Pehmeitä 3D-tulostuksia ihmiskehoon

National Institute of Standards and Technologyn (NIST) -tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän geelien ja muiden pehmeiden materiaalien 3D-tulostukseen.

Menetelmällä on potentiaalia luoda monimutkaisiarakenteita nanometrin tarkkuudella. Koska monet geelit ovat yhteensopivia elävien solujen kanssa, uusi menetelmä voi aloittaa pehmeiden pienien lääkinnällisten laitteiden, kuten lääkeaineiden jakelujärjestelmien tai joustavien elektrodien, tuotannon ihmiskehoon.

3D-tulostimen käyttö geelistä valmistetun esineen valmistamiseksi käytetään tulostinkammiota, joka täytetään veteen liotettujen pitkäketjuisten polymeerien keitolla, jossa on mausteena valolle herkkiä molekyylejä. Kun tulostimen valo aktivoi nämä erikoismolekyylit, ne ompelevat yhteen polymeeriketjut siten, että ne muodostavat pörröisen verkkomaisen geelirakenteen.

Tyypillisesti nykyiset 3D-geelitulostimet ovat käyttäneet ultraviolettivaloa tai näkyvää laservaloa geelirakenteiden muodostumisen aloittamiseksi. NIST:n tutkijat kuitenkin keskittivät huomionsa geelien valmistamiseksi elektronisäteillä tai röntgensäteillä. Koska niillä on lyhyempi aallonpituus, ne voivat tuottaa geelejä, joiden rakenteelliset yksityiskohdat ovat hienommat.

Mutta tällä hetkellä näiden lyhyiden aaltojen säteilylähteet - pyyhkäisyelektronimikroskoopit ja röntgenmikroskoopit - voivat toimia vain tyhjiössä. Se on ongelma, koska tyhjiössä jokaisessa kammiossa neste haihtuu geelin muodostamisen sijasta.

Mutta tutkijat ratkaisivat ongelman asettamalla ultraohuen piinitridilevyn tyhjiön ja nestekammion väliin suojaamaan nestettä haihtumiselta.

Menetelmä antoi tutkijoille mahdollisuuden käyttää 3D-tulostusmenetelmää geelien luomiseen, joiden rakenteet olivat pieniä kuin 100 nanometriä (nm). Tarkentamalla menetelmäänsä tutkijat odottavat printtaavansa geelissä pienen viruksen kokoisten rakenteita (50 nm).

Joitakin tällä lähestymistavalla tehtyjä tulevia rakenteita voivat olla joustavat injektoitavat elektrodit aivotoiminnan seuraamiseksi, biosensorit viruksen havaitsemiseksi, pehmeät mikrorobotit ja rakenteet, jotka voivat jäljitellä eläviä soluja ja olla vuorovaikutuksessa niiden kanssa.

Kuva mahdollisesta bioyhteensopivasta rajapinnasta osoittaa, että hydrogeelit (vihreät letkut), jotka voidaan tuottaa elektronin tai röntgensäteen 3D-tulostusprosessilla, toimivat keinotekoisina synapseina tai liitoksina, jotka yhdistävät neuronit (ruskea) elektrodeihin (keltainen).

Kun nano kohtaa bion

Nanomateriaalien tutkiminen on mittakaavaltaan äärimmäinen haaste.

Nanomateriaalit ovat osin ikivanhoja ja luonnollisia mutta myös teollisen aikakauden aikaansaannoksia.

Teollisesti suunniteltuja nanohiukkasia pääsee nykyään ympäristöön noin 0,3 teragrammaa vuodessa. Se on pieni osa verrattuna luonnollisiin nanohiukkasiin, kuten pölyyn mutta joka vuosi valmistetaan enemmän nanohiukkasia useampaan käyttöön.

Esimerkiksi lääketieteessä nanomateriaalit voivat kuljettaa lääkemolekyylit kehoon vaikuttavan suurella pinta/massa-suhteella. Niiden pieni koko mahdollistaa niiden tunkeutumisen kohdesoluihin ja elimiin tarkasti.

Nanohiukkasteknologioilla on lupaus parantaa jo olemassa olevia prosesseja, esimerkiksi teollisesta katalyysistä tulee nopeampi, tehokkaampi ja kestävämpi. Katalyysissä nanomateriaalit tarkoittavat vähemmän materiaalia - ja suurempi osa materiaalista on jo reaktiivisessa tilassa, valmiina nopeuttamaan kemiallisia muutoksia.

Toisaalta yksi erityinen huolenaihe on, että niin pienet hiukkaset voivat päästä kehoon ja livahtaa helposti verenkiertoon tai keuhkokudokseen. Ne voivat olla jopa vuorovaikutuksessa elävän kudoksen kanssa yksittäisen solun tasolla.

Center for Sustainable Nanotechnology (CSN) tutkimusorganisaation tavoitteena on tutkia peruskemiaa, joka mahdollistaa nanoteknologian kehittämisen kestävällä tavalla yhteiskunnan eduksi. Yksi CSN:n ydintehtäviä tunnistaa kriittiset molekyyli- ja biokemialliset prosessit, jotka tapahtuvat nanomateriaalien ja biologisten järjestelmien rajapinnassa.

Tutkijoille on käynyt selväksi, että nanopartikkelit ovat organismien tai solujen sisällä kemiallisia flippereitä. Ovatko ne biologisesti yhteensopivia vai biotoksisia?

Eläville soluille vastaus jompi kumpi tai molemmat ovat todellisuutta nanohiukkasten jatkuvasti muuttuvan reaktiivisuuden ja kemiallisten tilojen takia. Esimerkkeinä: ceriumdioksidin nanohiukkaset, kiillotusaineena käytetyn harvinaisen maametallimetallin ceriumin oksidi ja aurinkovoiteissa käytettävät sinkkioksidin nanopartikkelit.

Ensinnäkin nanomateriaalien kemialliset ominaisuudet näyttävät riippuvan siitä, missä hiukkaset ovat yksittäisen solun sisällä. Nämä ominaisuudet riippuvat myös siitä, kuinka nopeasti nanomateriaalit hajoavat. Kun näin tapahtuu, tutkijatiimi on havainnut, että nanohiukkaset aiheuttavat yleensä eniten haittaa.

Syyskuu 2020