Ces dernières années, l'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, s'est imposée comme un nouveau procédé de fabrication prometteur pour une grande variété de composants. Le Dr Dmitry Momotenko, chimiste à l'Université d'Oldenburg, a maintenant réussi à fabriquer des objets métalliques ultrapetits à l'aide d'une nouvelle technique d'impression 3D. Dans un article publié avec une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich (Suisse) et de l'Université technologique de Nanyang (Singapour) dans la revue scientifique Nano Letters , il rapporte que la technique a des applications potentielles dans la microélectronique, la technologie des capteurs et la technologie des batteries. L'équipe a mis au point une technique électrochimique permettant de fabriquer des objets en cuivre d'à peine 25 milliardièmes de mètre (équivalent à 25 nanomètres) de diamètre. A titre de comparaison, un cheveu humain est environ 3000 fois plus épais que les nanostructures en filigrane.

La nouvelle technique d'impression est basée sur le processus relativement simple et bien connu de la galvanoplastie. Dans la galvanoplastie, les ions métalliques chargés positivement sont en suspension dans une solution. Lorsque le liquide entre en contact avec une électrode chargée négativement, les ions métalliques se combinent avec les électrons de l'électrode pour former des atomes métalliques neutres qui se déposent ensuite sur l'électrode et forment progressivement une couche métallique solide. "Dans ce processus, un métal solide est fabriqué à partir d'une solution saline liquide - un processus que nous, électrochimistes, pouvons contrôler très efficacement", explique Momotenko. Pour sa technique de nanoimpression, il utilise une solution d'ions de cuivre chargés positivement dans une minuscule pipette. Le liquide sort de la pointe de la pipette par une buse d'impression. Dans les expériences de l'équipe, l'ouverture de la buse avait un diamètre compris entre 253 et 1,6 nanomètre. Seuls deux ions de cuivre peuvent traverser simultanément une si petite ouverture.

Surveillance de la progression du processus d'impression

Le plus grand défi pour les scientifiques était qu'à mesure que la couche métallique se développe, l'ouverture de la buse d'impression a tendance à se boucher. Pour éviter cela, l'équipe a développé une technique de suivi de la progression du processus d'impression. Ils ont enregistré le courant électrique entre l'électrode de substrat chargée négativement et une électrode positive à l'intérieur de la pipette, puis le mouvement de la buse a été ajusté en conséquence dans un processus entièrement automatisé :la buse s'est approchée de l'électrode négative pendant une très courte durée, puis s'est rétractée dès que possible. car la couche de métal avait dépassé une certaine épaisseur. Grâce à cette technique, les chercheurs ont progressivement appliqué une couche de cuivre après l'autre sur la surface de l'électrode. Grâce au positionnement extrêmement précis de la buse, ils ont pu imprimer à la fois des colonnes verticales et des nanostructures inclinées ou en spirale, et même réussi à produire des structures horizontales en changeant simplement le sens d'impression.

Ils ont également pu contrôler très précisément le diamètre des structures, d'une part par le choix de la taille de la buse d'impression et d'autre part lors du processus d'impression proprement dit sur la base de paramètres électrochimiques. Selon l'équipe, les plus petits objets possibles pouvant être imprimés à l'aide de cette méthode ont un diamètre d'environ 25 nanomètres, ce qui équivaut à 195 atomes de cuivre d'affilée.

Combiner l'impression sur métal et la précision à l'échelle nanométrique

Cela signifie qu'avec la nouvelle technique électrochimique, il est possible d'imprimer des objets métalliques beaucoup plus petits que jamais auparavant. L'impression 3D utilisant des poudres métalliques, par exemple - une méthode typique d'impression 3D de métaux - peut actuellement atteindre une résolution d'environ 100 micromètres. Les plus petits objets pouvant être produits à l'aide de cette méthode sont donc 4 000 fois plus gros que ceux de l'étude actuelle. Bien que des structures encore plus petites puissent être produites en utilisant d'autres techniques, le choix des matériaux potentiels est limité. « La technologie sur laquelle nous travaillons combine les deux mondes :l'impression sur métal et la précision à l'échelle nanométrique », explique Momotenko. Tout comme l'impression 3D a déclenché une révolution dans la production de composants complexes de plus grande taille, la fabrication additive à l'échelle micro- et nanométrique pourrait permettre de fabriquer des structures fonctionnelles et même des dispositifs aux dimensions ultra-petites, explique-t-il.

"Des catalyseurs imprimés en 3D avec une surface élevée et une géométrie spéciale pour permettre une réactivité particulière pourraient être préparés pour la production de produits chimiques complexes", explique Momotenko. Des électrodes tridimensionnelles pourraient rendre le stockage de l'énergie électrique plus efficace, ajoute-t-il. Le chimiste et son équipe travaillent actuellement dans ce but :dans leur projet NANO-3D-LION, ils visent à augmenter considérablement la surface des électrodes et à réduire les distances entre la cathode et l'anode dans les batteries lithium-ion grâce à l'impression 3D, en afin d'accélérer le processus de charge. + Explorer plus loin

Impression 3D de micro-objets métalliques