Ces bandes argentées aux ponts en arc ont été réalisées à l'aide d'une structure porteuse en cuivre, qui a ensuite été gravé. Crédit :Alain Reiser / ETH Zurich
L'impression 3D est devenue une méthode de production de plus en plus importante. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant développé une nouvelle technique d'impression 3D grâce à laquelle des objets de taille micrométrique composés de plusieurs métaux peuvent être produits avec une résolution spatiale élevée.
Les imprimantes 3D peuvent imprimer presque tout de nos jours, des prototypes de production aux organes artificiels jusqu'à des maisons entières. Surtout à l'échelle microscopique, la fabrication additive, comme l'impression 3D est également connue, permet de réaliser des structures qui ne peuvent être réalisées par d'autres techniques telles que la lithographie. Jusqu'à maintenant, un point faible de la fabrication additive a été la réalisation de structures métalliques à l'échelle micrométrique. Une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigée par Ralph Spolenak, professeur au Laboratoire de Nanométallurgie du Département des Matériaux, avec Dimos Poulikakos du Département de génie mécanique et des procédés ainsi que Renato Zenobi du Département de chimie et de biosciences appliquées, ont maintenant développé une technique qui permet même d'imprimer deux métaux en même temps avec une résolution spatiale de 250 nanomètres.
Alternatives à l'encre
Les méthodes conventionnelles pour l'impression 3-D-métal sont à base d'encre, ce qui signifie que le métal souhaité est dissous sous forme de nanoparticules dans une suspension et délivré à une surface à travers une buse d'impression. Un avantage de ces encres est qu'elles peuvent être fabriquées avec une variété de matériaux, mais ils ont aussi des inconvénients importants. "Ces techniques nécessitent un traitement post-impression qui implique un chauffage, ce qui se traduit par un rétrécissement et une porosité prononcée du matériau, " explique Alain Reiser, un doctorat étudiant dans le groupe de Spolenak et premier auteur de l'étude récemment publiée dans Communication Nature . "Typiquement, cela signifie que les structures métalliques sont moins conductrices, mécaniquement instable et, de plus, souvent contaminé par les composés organiques du solvant liquide.
Impression avec des ions
Pour résoudre ce problème, les chercheurs de l'ETH ont choisi la voie directe :les métaux ne se déposent plus sous forme de nanoparticule, mais plutôt transporté sous la forme d'ions métalliques chargés électriquement. Ces ions sont créés en appliquant une tension électrique à une "anode sacrificielle" constituée du métal souhaité à l'intérieur de la buse d'impression. Les ions sont ensuite pulvérisés par des forces électriques à l'intérieur d'un solvant sur la surface d'impression, où ils perdent leur charge électrique et se réassemblent en métal.
Les métaux ainsi imprimés sont denses et possèdent des propriétés électriques et mécaniques comparables à celles des films minces traditionnels. La nouvelle technique d'impression, de plus, offre une résolution de 250 nanomètres avec une vitesse d'impression de dix voxels par seconde (un voxel est un élément de volume, de la même manière qu'un pixel en impression 2D). Cela rend la technique dix fois plus rapide que les méthodes d'impression électrochimique existantes.
Principe de fonctionnement de l'impression 3D avec des ions métalliques. En appliquant des tensions appropriées, on peut imprimer, par exemple, cuivre (à gauche), l'argent (au centre) ou les deux métaux à la fois (à droite). Crédit :Alain Reiser / ETH Zurich
Métaux alternés
La nouvelle "technique d'impression redox électrohydrodynamique" présente un autre avantage crucial, comme le souligne Reiser :« En imprimant directement avec des ions métalliques, sans le détour par une encre, on peut même imprimer deux métaux simultanément ou en alternance. Cela nous permet de produire des structures métalliques avec des produits chimiques localement contrôlables, propriétés électriques ou mécaniques." Pour y parvenir, les chercheurs utilisent une double buse d'impression, à l'intérieur de laquelle se trouvent deux anodes sacrificielles différentes. Quel métal imprimer quand, où et dans quelle concentration peut maintenant être contrôlé simplement par les tensions appliquées.
L'utilisation d'une seule buse d'impression facilite également le positionnement exact des deux métaux. Il est possible de basculer entre les deux métaux jusqu'à dix fois par seconde. De cette façon, Spolenak et ses collaborateurs ont pu, par exemple, pour imprimer un minuscule pilier mesurant seulement 250 nanomètres de largeur et qui contenait des sections alternées de cuivre et d'argent. En ajustant la composition de l'alliage bimétallique, la porosité locale - et donc la rigidité et la stabilité - du nano-pilier a pu être contrôlée avec précision.
Structure en cuivre imprimée couche par couche avec une résolution spatiale de l'ordre de 200 nanomètres. Crédit :Alain Reiser / ETH Zurich
Imagerie chimique d'une structure 3D imprimée avec une répartition variable des éléments de l'alliage (rouge :cuivre, bleu :argent). Les propriétés chimiques locales peuvent être contrôlées avec une résolution de 250 nanomètres pendant le processus d'impression. Crédit :Alain Reiser / ETH Zurich
Nano-piliers en argent :en gravant le cuivre des sections avec un alliage argent-cuivre (jaune), leur porosité a été augmentée. Dans ces endroits, le matériau est moins stable, qui devient visible lorsqu'une force est appliquée (figure du bas). Crédit :Alain Reiser / ETH Zurich
La nouvelle technique a une multitude d'applications possibles. Les chercheurs de l'ETH collaborent actuellement avec des experts en circuits électroniques imprimés afin de produire des fils de connexion extrêmement fins aux semi-conducteurs organiques à l'aide de leur méthode d'impression 3D. Par ailleurs, à l'avenir, ils visent à élargir la gamme des métaux utilisés (jusqu'à présent, le cuivre, l'argent et l'or ont été testés) pour inclure, par exemple, matériaux magnétiques. Selon Reiser, à terme la production de photocapteurs, les circuits intégrés imprimés et les métamatériaux mécaniques devraient être possibles.
