بخشی از مقاله
چکیده
پرینت سه بعدی یک روش ساخت و تولید افزایشی می باشد که امروزه تمام عرصه های تکنولوژی را تحت تاثیر قرار داده است. مزیت این فرایند استفاده بهینه از ماده، افزایش انعطاف پذیری در طراحی و تولید دقیقتر اجزاء و قطعات می باشد. روش های پرینت سه بعدی پیشرفته امکان ساخت ساختارهای پیچیده میکرو و حتی نانو که با هیچ روش ساخت و تولیدی امکان پذیر نمی باشد میسر شده است. اعمال ایده پرینت سه بعدی به فناوری نانو می تواند مزایای مشابه به مراتب بیشتری را -سرعت بالا، اتلاف کمتر، توجیه اقتصادی- در مقایسه با زمینه ساخت و تولید مرسوم نصیب آن بکند. موثرترین تکنیک قابل اعمال برای پرینت سه بعدی در مقیاس نانو، لیتوگرافی مبتنی بر لیزر دوفوتونی می باشد.
در این تکنولوژی با استفاده از نور نزدیک به مادون قرمز - NIR or Near Infra-Red - می توان در ماده نفوذ کرده و عمل پرینت سه بعدی را در هر موقعیتی از رزین حساس به نور انجام داد. همچنین فعالیت های گسترده ای در زمینه ساخت جوهر های کامپوزیت شده با نانوذرات برای کاربری های مختلف در حال جریان می باشد. می توان با لایه نشانی جوهر حاوی نانو ذرات بکار رفته در الکترود باطری های یون-لیتیمی به ریز باطری هایی به بزرگی یک دانه ماسه دست یافت. همچنین جوهرهایی حاوی گرافین و دیگر نانوذرات می تواند برای بهره گیری از قابلیت پرینت سه بعدی در دست یافتن به خواص این مواد در مقیاس نانو مورد پرینت قرار گیرد. محققان همچنین می توانند از توانایی پرینترهای سه بعدی در کاشت مستقیم و یکپارچه مواد با کارکردهای مختلفی همچون سازه ای، بیولوژیکی و الکترونیکی بهره ببرند. در این مقاله تکنیک های پرینت سه بعدی قابل اعمال در نانو تکنولوژی مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
مقدمه
پرینت سه بعدی یک روش ساخت و تولید افزایشی - additive manufacturing - می باشد؛ که در آن اجزاء و قطعات سه بعدی به طریق انباشتن ماده بر روی هم، بصورت لایه به لایه و با هدایت یک طراحی دیجیتال ساخته می شوند. مزیت چنین فرایندی استفاده بهینه از ماده، افزایش انعطاف پذیری در طراحی و تولید دقیقتر اجزاء و قطعات می باشد؛ مهم تر اینکه نمونه اولیه قطعات را می توان خیلی سریعتر ساخت. پرینت سه بعدی برای نخستین بار توسط یک تیم پژوهشی در دانشگاه MIT در اوخر دهه 1980 ابداع شد .
[1] در روش ابداعی، لایه ای از پودر را پهن کرده و سپس ماده چسبی مایع را بر نواحی که باید منجمد شوند می افشانند. این روش مشابه عملکرد پرینترهای جوهر افشان می باشد؛ با این تفاوت که در پرینترهای سه بعدی می توان بر روی لایه های زیرین نیز عملیات لایه نشانی را برای رسیدن به قطعات سه بعدی ادامه داد. با پرینت سه بعدی می توان قطعات با تقریبا هر نوع پیچیدگی هندسی را ساخت. امروزه حتی پرینت سه بعدی به قلمرو ساخت بافت های زنده نیز وارد شده است.[2]
تاکنون، پرینت سه بعدی عمدتا برای تولید سازه هایی شبیه به نمونه های موجود در خلقت و دست ساز بشر بکار می رفت؛ به عنوان نمونه می توان بیو ایمپلنت ها [3] - bioimplant - ، اسباب بازی ها، مجسمه ها و قطعات فلزی را نام برد. اما واقعیت جالب اینجاست که با روش های پرینت سه بعدی پیشرفته امکان ساخت ساختارهای پیچیده میکرو و حتی نانو که با هیچ روش ساخت و تولیدی امکان پذیر نمی باشد میسر شده است. اعمال ایده پرینت سه بعدی به فناوری نانو می تواند مزایای مشابه به مراتب بیشتری را -سرعت بالا، اتلاف کمتر، توجیه اقتصادی- در مقایسه با زمینه ساخت و تولید مرسوم نصیب آن بکند.
در این مقاله تکنیک های پرینت سه بعدی که قابلیت پرینت سه بعدی در مقیاس نانو را دارند مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تکنیک هایی از پرینت سه بعدی که با استفاده از آنها می توان جوهرهای حاوی نانوذرات را برای رسیدن به محصولات کاربردی بکار برد مورد توجه قرار می گیرند. ابتدا پرینت سه بعدی ریزباتری های یون لیتیمی مورد توجه قرار می گیرد. تکنولوژی لیتوگرافی با لیزر دو فوتونی که به معنی واقعی کلمه می تواند پرینت سه بعدی را در مقیاس نانو صورت دهد مورد کنکاش قرار می گیرد. ریسندگی الکتریکی نانوجت پلیمری، پرینت سه بعدی جوهر حاوی گرافین جهت رسیدن به نانو سیم گرافین و پرینت سه بعدی یکپارچه تجهیزات الکترونیک با فناوری پرینت سه بعدی نیز بررسی می گردد. در نهایت جمع بندی و نتیجه گیری لازم صورت می گیرد.
پرینت سه بعدی ریز باتری های یون-لیتیمی
اکنون با فناوری پرینت سه بعدی می توان ریزباتری یون-لیتیمی به کوچکی یک دانه ماسه را ساخت. چنین ریز باتریهایی می توانند انرژی الکتریکی لازم برای ریز دستگاههای پزشکی و مخابراتی را تامین نمایند. در واقع در سالهای اخیر مهندسان تجهیزات مینیاتوری زیادی را ابداع کرده اند. از جمله می توان به ایمپلنت های پزشکی، ربات های حشره گون، دوربین ها و میکروفونهای ریز که در قاب عینک جای می گیرند اشاره کرد. اما در اغلب موارد باتری هایی که این تجهیزات را بکار می اندازند به بزرگی خود آنها یا حتی بزرگتر از آنها می باشند. این امر ساختن تجهیزات کوچک را بلاموضوع کرده است. یک تیم پژوهشی نانوتکنولوژی در دانشگاه هاروارد و ایلینویز جفت الکترود یک ریزباتری را که به دقت در هم شانه شده اند و بزرگی هر الکترود کوچکتر از قطر موی سر می باشد را برای نخستین بار پرینت کرده اند.[4]
محقققان دریافته اند که در صورتی می توان انرژی کافی برای این تجهیزات را ذخیره نمود که الکترودها بطور فشرده در هم شانه شده باشند و این لایه ها از حالت دوبعدی به حالت سه بعدی برسند؛ برای همین به پرینت سه بعدی روی آوردند. آنها روش لایه نشانی جوهر با اندازه نازل به قطر ʽm 30 را برای این کار بکار بردند. گستره وسیعی از جوهرهای کاربردی که خواص شیمیایی و الکتریکی لازم را داشته باشند طراحی کردند. مرکب مورد نظر طوری ساخته شد که بتواند از نازل های ریز خارج شده و البته به محض خروج سفت شود.
مهمتر اینکه الکترودها باید به عنوان یک ماده فعال الکتروشیمیایی بتواند نقش آند و کاتد باتری را داشته باشد. آنها جوهر آند را از اکسید لیتیم تیتان - LTO - و جوهر کاتد را از لیتیم فسفات - LFP - ساختند. آنها با پرینتر جوهرها را بر روی دندانه های شانه ای هر دو پایه باتری -از جنس طلا- نشاندند. الکترودها در محفظه ای کوچک جاگذاری شده و از الکترولیت پر شد تا باطری کامل بدست اید. بر طبق گزارش آنها، عملکرد باطری ساخته شده از جهت نرخ شارژ، دشارژ و عمر کاری و چگالی انرژی قابل مقایسه با باطری های تجاری بوده؛ بعلاوه اینکه در مقیاس خیلی کوچکی این کار صورت گرفته است.
لیتوگرافی لیزر دوفوتونی
یک گروه پژوهشی در دانشگاه اوزاکا برای اولین بار استفاده از پرتو لیزر دو فوتونی را برای پلیمریزه کردن یک رزین حساس به نور ابداع کرد.[5-11] تا بدان روز، ایجاد ساختارهای نانو محدود به حالت صفحه ای و دوبعدی بود. علت این محدودیت استفاده از نور ماورای بنفش - - UV برای پلیمریزاسیون رزین بود. این نور امکان عبور از ماده را بدون جذب شدن در آن ندارد. لذا تمام رزین حساس به نوری که در مسیر پرتو نور ماوراء بنفش قرار می گیرد دچار پلیمریزاسیون می شود. این امر کاربرد این نور را محدود به پرینت دوبعدی و صفحه ای می کند. درحالیکه نور نزدیک به مادون قرمز - NIR or Near Infra-Red - می تواند در ماده نفوذ کرده و از آن عبور کند؛ بدون اینکه بطور قابل توجهی توسط ماده جذب شود.
حال اگر از یک لیزر پالسی با طول پالس روشن فمتو ثانیه - 10-5 Second - و توان بیشینه در حد 150000 وات در کنار یک عدسی با توان تمرکز بالا استفاده شود، امکان جذب دو فوتونی فراهم خواهد شد. جذب شدن انرژی ناشی از هم افزایی دو فوتون، رزین حساس به نور را تنها در نقطه تمرکز لیزر پلیمریزه می کند. این واقعیت زمینه پرینت سه بعدی در مقیاس نانو را فراهم می آورد. با حرکت دادن پرتو لیزر امکان پرینت ساختار های سه بعدی فراهم می شود. شکل -2الف یک گاو پرینت سه بعدی شده به این روش را نشان می دهد.
طول این سازه ʽm 8 بوده و هر پله حرکتی در آن nm 50 و زمان پلیمریزاسیون برای هر نقطه 0.005 ثانیه می باشد.[5] چنین تکنولوژی پتانسیل ساخت ریزماشین ها را فراهم می آورد؛ این پژوهشگران این پتانسیل را با پرینت کردن جرم و فنر نشان داده شده در شکل -2ب نشان دادند.[6] در این پژوهش، کوچکترین بعد قابل ایجاد با این تکنولوژی 120 نانومتر گزارش شده است؛ که این اندازه با توجه به انقباض ماده پس از پرینت آن به 65 نانومتر رسیده است.[7,8] کاربرد دیگر برای پرینت سه بعدی با روش دو فوتونی در تکنولوژی اطلاعات می باشد؛ چرا که با این روش امکان ذخیره اطلاعات در عمق های مختلف حافظه های کامپیوتری فراهم آمده و این امر رسیدن به حافظه های چند لایه ای را میسر کرده است.[9]
