Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont développé un moyen basé sur la lumière pour imprimer des structures métalliques de taille nanométrique, qui est nettement plus rapide et moins cher que n'importe quelle technologie actuellement disponible. Il s’agit d’une solution évolutive qui pourrait transformer un domaine scientifique longtemps dépendant de technologies trop coûteuses et lentes. Cette percée a le potentiel de faire sortir de nouvelles technologies des laboratoires et de les mettre au monde.
Les progrès technologiques dans de nombreux domaines reposent sur la capacité d’imprimer des structures métalliques de taille nanométrique, une échelle des centaines de fois plus petite que la largeur d’un cheveu humain. Sourabh Saha, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, et Jungho Choi, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Saha, a développé une technique d'impression de nanostructures métalliques 480 fois plus rapide et 35 fois moins chère que la méthode conventionnelle actuelle.
Leurs recherches sont publiées dans la revue Advanced Materials. .
L’impression de métal à l’échelle nanométrique – une technique connue sous le nom de nanopatterning – permet de créer des structures uniques dotées de fonctions intéressantes. Il est crucial pour le développement de nombreuses technologies, notamment les appareils électroniques, la conversion de l'énergie solaire, les capteurs et d'autres systèmes.
On pense généralement que des sources lumineuses de haute intensité sont nécessaires pour l’impression à l’échelle nanométrique. Mais ce type d'outil, connu sous le nom de laser femtoseconde, peut coûter jusqu'à un demi-million de dollars et est trop cher pour la plupart des laboratoires de recherche et des petites entreprises.
"En tant que communauté scientifique, nous n'avons pas la capacité de produire suffisamment de ces nanomatériaux rapidement et à moindre coût, et c'est pourquoi les technologies prometteuses restent souvent limitées au laboratoire et ne se traduisent pas en applications concrètes", a déclaré Saha. .
« La question à laquelle nous voulions répondre est la suivante :« Avons-nous vraiment besoin d'un laser femtoseconde de haute intensité pour imprimer à l'échelle nanométrique ? » Notre hypothèse était que nous n'avions pas besoin de cette source de lumière pour obtenir le type d'impression souhaité."
Ils recherchaient une lumière peu coûteuse et de faible intensité qui pourrait être focalisée d'une manière similaire aux lasers femtoseconde, et ont choisi des diodes électroluminescentes superluminescentes (SLED) pour leur disponibilité commerciale. Les SLED émettent une lumière un milliard de fois moins intense que celle des lasers femtoseconde.
Saha et Choi ont décidé de créer une technologie d'impression originale de type projection, en concevant un système qui convertit les images numériques en images optiques et les affiche sur une surface en verre. Le système fonctionne comme des projecteurs numériques mais produit des images plus nettes. Ils ont exploité les propriétés uniques de la lumière superluminescente pour générer des images nettes avec un minimum de défauts.
Ils ont ensuite développé une solution d’encre transparente composée de sel métallique et ont ajouté d’autres produits chimiques pour garantir que le liquide puisse absorber la lumière. Lorsque la lumière de leur système de projection frappait la solution, elle provoquait une réaction chimique qui transformait la solution saline en métal. Les nanoparticules métalliques collent à la surface du verre et l'agglomération des particules métalliques crée les nanostructures. Puisqu'il s'agit d'un type d'impression par projection, il peut imprimer une structure entière en une seule fois, plutôt que point par point, ce qui la rend beaucoup plus rapide.
Après avoir testé la technique, ils ont découvert que l’impression à l’échelle nanométrique par projection était possible même avec une lumière de faible intensité, mais uniquement si les images étaient parfaitement focalisées. Saha et Choi pensent que les chercheurs peuvent facilement reproduire leurs travaux en utilisant du matériel disponible dans le commerce. Contrairement à un laser femtoseconde coûteux, le type de SLED que Saha et Choi ont utilisé dans leur imprimante coûte environ 3 000 $.
« À l'heure actuelle, seules les meilleures universités ont accès à ces technologies coûteuses, et même dans ce cas, elles sont situées dans des installations partagées et ne sont pas toujours disponibles », a expliqué Choi. "Nous voulons démocratiser la capacité de l'impression 3D à l'échelle nanométrique et nous espérons que nos recherches ouvriront la porte à un meilleur accès à ce type de processus à faible coût."
Les chercheurs affirment que leur technique sera particulièrement utile aux personnes travaillant dans les domaines de l'électronique, de l'optique et de la plasmonique, qui nécessitent tous une variété de nanostructures métalliques complexes.
"Je pense que les paramètres de coût et de rapidité ont été largement sous-estimés dans la communauté scientifique qui travaille sur la fabrication de petites structures", a déclaré Saha.
"Dans le monde réel, ces paramètres sont importants lorsqu'il s'agit de traduire les découvertes du laboratoire à l'industrie. Ce n'est que lorsque nous disposerons de techniques de fabrication qui prennent en compte ces paramètres que nous pourrons tirer pleinement parti de la nanotechnologie au profit de la société."
Plus d'informations : Jungho Choi et al, Impression évolutive de nanostructures métalliques grâce à la projection de lumière superluminescente, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202308112
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Institut de technologie de Géorgie
