Der 3D-Druck – auch additive Fertigung genannt – hat sich in den vergangenen Jahren als vielversprechendes neues Herstellungsverfahren für verschiedenste Bauteile etabliert. Dem Chemiker Dr. Dmitry Momotenko von der Universität Oldenburg ist es nun gelungen, mit einer neuen 3D-Drucktechnik extrem kleine Metallobjekte zu erzeugen. Mögliche Anwendungen könnten in der Mikroelektronik, der Sensorik oder der Batterietechnik liegen, berichtet Momotenko gemeinsam mit einem Team aus Forscherinnen und Forschern der ETH Zürich (Schweiz) und der Nanyang Technological University in Singapur in der Zeitschrift Nano Letters. Das Team entwickelte ein elektrochemisches Verfahren, mit dem sich Objekte aus Kupfer mit einem Durchmesser von 25 Milliardstel Metern (also 25 Nanometern) herstellen lassen. Ein menschliches Haar ist etwa 3000-mal so dick wie die filigranen Nanodrucke.
Das Druckverfahren beruht auf dem vergleichsweise einfachen und altbekannten Prozess der Galvanik. Dabei befinden sich positiv geladene Metallionen in einer Lösung. Wenn die Flüssigkeit in Kontakt mit einer negativ geladenen Elektrode kommt, verbinden sich die Metallionen mit den dort vorhandenen Elektronen zu einem neutralen Metallatom, das sich auf der Elektrode absetzt. So bildet sich nach und nach eine feste Metallschicht. „Bei diesem Verfahren wird aus einer flüssigen Salzlösung ein festes Metall hergestellt – ein Prozess, den wir Elektrochemiker sehr gut kontrollieren können“, sagt Momotenko. Für sein Nanodruckverfahren verwendet er eine Lösung mit positiv geladenen Kupferionen, die sich in einer winzigen Pipette befinden. Die Flüssigkeit tritt am Ende der Pipette tropfenweise durch eine Druckdüse aus. In den Experimenten des Teams hatte diese Öffnung einen Durchmesser zwischen 253 und 1,6 Nanometern. Ein derart winziges Loch können gleichzeitig nur zwei Kupferionen passieren.
Die größte Herausforderung bestand darin, dass die wachsende Metallschicht die Öffnung der Druckdüse sehr schnell verstopfen kann. Das Team entwickelte daher eine Technik, um den Druckfortschritt zu überwachen. Sie registrierten dafür den elektrischen Strom zwischen der negativen Elektrode und einer positiven Elektrode innerhalb der Pipette und stimmten die Bewegung der Düse automatisch darauf ab: Die Düse näherte sich der Elektrode immer nur für kurze Zeit und zog sich zurück, sobald die Metallschicht eine bestimmte Dicke überschritten hatte. So brachten die Forschenden nach und nach immer neue Kupferschichten auf der Elektrodenoberfläche auf. Durch eine präzise Positionierung der Düse gelang es ihnen, sowohl senkrechte Säulen als auch geneigte oder spiralförmige Gebilde zu drucken. Selbst waagerechte Strukturen konnten die Chemikerinnen und Chemiker herstellen, indem sie einfach die die Druckrichtung änderten.
Auch der Durchmesser der Gebilde ließ sich steuern – zum einen durch die Größe der Druckdüsen, zum anderen sogar während des Druckvorgangs anhand elektrochemischer Parameter. Die kleinstmöglichen Objekte, die mit dem Verfahren druckbar sind, haben nach Angaben des Teams einen Durchmesser von etwa 25 Nanometern. Das entspricht 195 Kupferatomen in einer Reihe.
Damit erlaubt es das neue elektrochemische Verfahren, deutlich kleinere Metallobjekte zu drucken als dies bislang möglich war. Durch Verarbeitung von Metallpulvern – ein typisches Verfahren zum 3D-Druck von Metallen – lässt sich derzeit beispielsweise eine Auflösung von etwa 100 Mikrometern erreichen. Die kleinsten herstellbaren Objekte sind also 4.000-mal so groß wie in der aktuellen Studie. Zwar lassen sich mit anderen Verfahren noch kleinere Strukturen herstellen, doch die Auswahl möglicher Materialien ist dabei begrenzt. „Die Technologie, an der wir arbeiten, kombiniert beide Welten – Metalldruck und nanoskalige Präzision“, sagt Momotenko. Ähnlich wie der 3D-Druck eine Revolution bei der Produktion komplexer größerer Bauteile ausgelöst habe, könnte es die additive Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala ermöglichen, völlig neuartige Objekte in sehr kleinen Dimensionen herzustellen.
„Mit 3D-Druck bearbeitete Grenzflächen könnten beispielsweise als Katalysatoren zur Herstellung komplexer Chemikalien genutzt werden“, sagt Momotenko. Dreidimensional strukturierte Elektroden könnten dazu beitragen, elektrische Energie effizienter zu speichern. An dieser Aufgabe arbeiten der Chemiker und sein Team derzeit: Im Vorhaben NANO-3D-LION wollen die Forschenden die Oberfläche von Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien per 3D-Druck drastisch vergrößern, um dadurch den Ladeprozess zu beschleunigen. Der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) fördert das Vorhaben seit März 2021 mit einem sogenannten „Starting Grant“.
Originalveröffentlichung
- Julian Hengsteler, Barnik Mandal, Cathelijn van Nisselroy, Genevieve P. S. Lau, Tilman Schlotter, Tomaso Zambelli und Dmitry Momotenko; "Bringing Electrochemical Three-Dimensional Printing to the Nanoscale"; Nano Letters; 2021