Stampa 3D di micro-oggetti metallici

Le stampanti 3D possono ora stampare quasi tutto, dai prototipi in produzione a organi artificiali e persino case complete. Soprattutto nella gamma microscopica, la manifattura additiva, come viene chiamata la stampa 3D, permette di produrre strutture che non potrebbero essere realizzate con altri processi come la litografia. Tuttavia, le strutture metalliche su scala micrometrica sono state finora un punto debole della produzione additiva.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati da Ralph Spolenak, professore presso il Laboratorio di Nanometallurgia del Dipartimento di Scienze ed ingegneria dei materiali, insieme a Dimos Poulikakos del Dipartimento di Ingegneria meccanica e dei processi e Renato Zenobi del Dipartimento di Chimica e scienze biologiche applicate, hanno ora sviluppato un processo che permette di stampare simultaneamente anche due metalli con una risoluzione spaziale di 250 nanometri.

Alternative all'inchiostro

I processi convenzionali per la stampa 3D dei metalli sono basati sull'inchiostro, il che significa che il metallo desiderato viene applicato a una superficie sotto forma di nanoparticelle in sospensione attraverso un ugello di stampa. Un aspetto positivo degli inchiostri è che possono essere prodotti con un'ampia gamma di materiali, ma ci sono anche notevoli svantaggi. "Questi processi richiedono una post-elaborazione attraverso il riscaldamento del risultato stampato, che porta a un restringimento e a una marcata porosità del materiale", spiega Alain Reiser, dottorando del gruppo di ricerca di Spolenak e primo autore dello studio ora pubblicato su pagina esternaComunicazioni sulla natura studio pubblicato. "Questo di solito significa che le strutture metalliche sono meno conduttive, meno stabili dal punto di vista meccanico e spesso anche contaminate da organi provenienti dal solvente".

Stampa con ioni

Per risolvere questo problema, gli scienziati dell'ETH hanno scelto la via diretta: il metallo non viene più depositato sotto forma di nanoparticelle, ma trasportato sotto forma di ioni metallici caricati elettricamente. Questi si ottengono nell'ugello pressurizzato applicando una tensione elettrica da un "anodo sacrificale" costituito dal metallo corrispondente. Gli ioni vengono quindi spruzzati sulla superficie da stampare in un solvente utilizzando forze elettriche, dove perdono la loro carica e si ricombinano per formare il metallo.

I metalli stampati in questo modo sono densi e hanno proprietà elettriche e meccaniche pari a quelle dei film sottili prodotti tradizionalmente. Il nuovo processo di stampa offre una risoluzione di 250 nanometri a una velocità di stampa di dieci voxel al secondo (un voxel è un elemento di volume, simile a un pixel nella stampa 2D). Ciò rende il processo dieci volte più veloce rispetto ai precedenti processi di stampa elettrochimica.

Metalli alternati

Il nuovo "processo di stampa elettro-idrodinamica redox" ha un altro vantaggio decisivo, come sottolinea Reiser: "Stampando direttamente con gli ioni metallici, senza la deviazione di un inchiostro, possiamo anche stampare due metalli contemporaneamente o alternativamente. Questo ci permette di produrre strutture metalliche con proprietà chimiche, elettriche o meccaniche controllabili localmente". Per ottenere questo risultato, i ricercatori utilizzano un doppio ugello di stampa contenente due diversi anodi sacrificali. Il metallo da stampare quando, dove e in quale concentrazione può ora essere controllato semplicemente dalle tensioni applicate.

L'uso di un unico ugello di pressione facilita inoltre il posizionamento preciso di entrambi i metalli. È possibile passare avanti e indietro tra i due metalli fino a dieci volte al secondo. In questo modo, Spolenak e i suoi collaboratori sono riusciti a stampare colonne larghe appena 250 nanometri, contenenti sezioni alternate di rame e argento. Regolando la lega dei due metalli, hanno potuto controllare con precisione la porosità locale e quindi la rigidità e la resistenza dei nanopilastri.

Applicazioni diverse

Le potenziali applicazioni della nuova tecnologia sono molteplici. Gli scienziati dell'ETH stanno attualmente lavorando all'elettronica stampata per produrre fili di collegamento ultrafini per semiconduttori organici utilizzando la stampa 3D. In futuro, intendono anche ampliare la gamma di metalli utilizzati (finora sono stati testati rame, argento e oro), ad esempio per includere materiali magnetici. Secondo Alain Reiser, l'obiettivo a lungo termine è quello di riuscire a produrre fotosensori, circuiti integrati stampati e metamateriali meccanici.