Por primera vez, es posible crear estructuras metálicas complejas a nanoescala mediante la impresión en 3D, gracias a una nueva técnica desarrollada en Caltech.
El proceso, una vez ampliado, podría usarse en una amplia variedad de aplicaciones, desde la construcción de pequeños implantes médicos hasta la creación de circuitos lógicos tridimensionales en chips de computadora para la ingeniería de componentes de aviones ultraligeros. También abre la puerta a la creación de unnueva clase de materiales con propiedades inusuales que se basan en su estructura interna. La técnica se describe en un estudio que se publicará en Comunicaciones de la naturaleza el 9 de febrero
En la impresión tridimensional, también conocida como fabricación aditiva, un objeto se construye capa por capa, lo que permite la creación de estructuras que serían imposibles de fabricar mediante métodos sustractivos convencionales, como el grabado o el fresado.Greer es pionera en la creación de arquitecturas ultratinas en 3-D construidas mediante fabricación aditiva, por ejemplo, ella y su equipo han construido redes en 3-D cuyos haces son de nanómetros de diámetro, demasiado pequeños para ser vistos a simple vista.Estos materiales exhiben propiedades inusuales, a menudo sorprendentes; el equipo de Greer ha creado cerámicas excepcionalmente livianas que recuperan su forma original, como esponjosas, después de ser comprimidas.
El grupo 3-D de Greer imprime estructuras de una variedad de materiales, desde cerámica hasta compuestos orgánicos. Sin embargo, los metales han sido difíciles de imprimir, especialmente cuando se trata de crear estructuras con dimensiones menores de alrededor de 50 micras, o aproximadamente la mitad delancho de un cabello humano.
La forma en que funciona la impresión 3D a escala nanométrica es que un láser de alta precisión elimina el líquido en ubicaciones específicas del material con solo dos fotones o partículas de luz. Esto proporciona suficiente energía para endurecer los polímeros líquidos en sólidos, perono es suficiente para fundir metal.
"Los metales no responden a la luz de la misma manera que las resinas poliméricas que usamos para fabricar estructuras a nanoescala", dice Greer, profesor de ciencias de los materiales, mecánica e ingeniería médica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech"Hay una reacción química que se activa cuando la luz interactúa con un polímero que le permite endurecerse y luego formar una forma particular. En un metal, este proceso es fundamentalmente imposible".
El estudiante graduado de Greer, Andrey Vyatskikh, encontró una solución. Utilizó ligandos orgánicos, moléculas que se unen al metal, para crear una resina que contiene principalmente polímero, pero que lleva consigo metal que puede imprimirse, como un andamio.
En el experimento descrito en el artículo de Nature Communications, Vyatskikh unió moléculas de níquel y orgánicas para crear un líquido que se parece mucho al jarabe para la tos. Diseñaron una estructura usando un software de computadora, y luego la construyeron zapateando el líquido con dos-fotón láser. El láser crea enlaces químicos más fuertes entre las moléculas orgánicas, endureciéndolas en bloques de construcción para la estructura. Dado que esas moléculas también están unidas a los átomos de níquel, el níquel se incorpora a la estructura. De esta manera, el equipo fuecapaz de imprimir una estructura tridimensional que inicialmente era una mezcla de iones metálicos y moléculas orgánicas no metálicas.
Vyatskikh luego coloca la estructura en un horno que la calienta lentamente hasta 1,000 grados Celsius alrededor de 1,800 grados Fahrenheit en una cámara de vacío. Esa temperatura está muy por debajo del punto de fusión del níquel 1,455 grados Celsius, o alrededor de 2,650 grados Fahrenheit pero está lo suficientemente caliente como para vaporizar los materiales orgánicos en la estructura, dejando solo el metal. El proceso de calentamiento, conocido como pirólisis, también fusionó las partículas de metal.
Además, debido a que el proceso vaporizó una cantidad significativa del material de la estructura, sus dimensiones se redujeron en un 80 por ciento, pero mantuvo su forma y proporciones.
"Esa contracción final es una gran parte de por qué podemos hacer que las estructuras sean tan pequeñas", dice Vyatskikh, autor principal del artículo de Nature Communications. "En la estructura que construimos para el papel, el diámetro delLas vigas de metal en la parte impresa son aproximadamente 1/1000 del tamaño de la punta de una aguja de coser. "
Greer y Vyatskikh todavía están refinando su técnica; en este momento, la estructura que se informa en su documento incluye algunos huecos que dejaron los materiales orgánicos vaporizados, así como algunas impurezas menores. Además, si la técnica es útil para la industria, tendrá que ampliarse para producir mucho más material, dice Greer. Aunque comenzaron con níquel, están interesados en expandirse a otros metales que se usan comúnmente en la industria pero que son difíciles o imposibles de fabricar en pequeñas formas tridimensionales., como el tungsteno y el titanio. Greer y Vyatskikh también están buscando utilizar este proceso para imprimir en 3-D otros materiales, tanto comunes como exóticos, como la cerámica, los semiconductores y los materiales piezoeléctricos materiales con efectos eléctricos que resultan de tensiones mecánicas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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