Impression atome par atome : un laboratoire explore l'impression 3D à l'échelle nanométrique

16 décembre 2022

par l'Université d'Oldenbourg

Il faut moins d’une minute au chimiste Liaisan Khasanova pour transformer un tube de verre de silice ordinaire en buse d’impression pour une imprimante 3D très spéciale. Le chimiste insère le tube capillaire, qui n'a qu'un millimètre d'épaisseur, dans un appareil bleu, ferme le rabat et appuie sur un bouton. Après quelques secondes, un grand bruit retentit et la buse est prête à l'emploi.

"Un faisceau laser à l'intérieur de l'appareil chauffe le tube et le sépare. Ensuite, nous augmentons soudainement la force de traction de sorte que le verre se brise au milieu et qu'une pointe très pointue se forme", explique Khasanova, qui prépare son doctorat. . en chimie au sein du groupe de nanotechnologie électrochimique de l'Université d'Oldenbourg, en Allemagne.

Khasanova et ses collègues ont besoin de minuscules buses pour imprimer des structures métalliques tridimensionnelles incroyablement minuscules. Cela signifie que les ouvertures des buses doivent être tout aussi petites, dans certains cas si petites qu'une seule molécule peut s'y faufiler. "Nous essayons de pousser l'impression 3D jusqu'à ses limites technologiques", explique le Dr Dmitry Momotenko, qui dirige le groupe de recherche junior de l'Institut de chimie. Son objectif : « Nous voulons assembler des objets atome par atome ».

L’impression 3D à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire l’impression 3D d’objets mesurant seulement quelques milliardièmes de mètre, ouvre d’incroyables opportunités, explique le chimiste. Pour les objets métalliques en particulier, il envisage de nombreuses applications dans des domaines tels que la microélectronique, la nanorobotique, la technologie des capteurs et des batteries : "Dans ces domaines, les matériaux électroconducteurs sont nécessaires à toutes sortes d'applications, les métaux constituent donc la solution parfaite."

Alors que l’impression 3D de plastiques a déjà atteint ces dimensions nanométriques, la fabrication de minuscules objets métalliques à l’aide de la technologie 3D s’est avérée plus difficile. Avec certaines techniques, les structures imprimées sont encore mille fois trop grandes pour de nombreuses applications avancées, tandis qu'avec d'autres, il est impossible de fabriquer des objets avec le degré de pureté nécessaire.

Momotenko se spécialise dans la galvanoplastie, une branche de l'électrochimie dans laquelle des ions métalliques en suspension dans une solution saline sont mis en contact avec une électrode chargée négativement. Les ions chargés positivement se combinent avec les électrons pour former des atomes métalliques neutres qui se déposent sur l'électrode, formant ainsi une couche solide.

"Une solution saline liquide devient un métal solide, un processus que nous, électrochimistes, pouvons contrôler très efficacement", explique Momotenko. Ce même procédé est utilisé pour le chromage de pièces automobiles et le placage d’or de bijoux à plus grande échelle.

Cependant, son transfert à l'échelle nanoscopique nécessite beaucoup d'ingéniosité, d'efforts et de soins, comme le confirme une visite du petit laboratoire du groupe sur le campus de Wechloy de l'université. Le laboratoire contient trois imprimantes, toutes construites et programmées par l'équipe elle-même, comme le souligne Momotenko. Comme les autres imprimantes 3D, elles se composent d'une buse d'impression, de tubes pour alimenter le matériau d'impression, d'un mécanisme de commande et de composants mécaniques pour déplacer la buse, mais dans ces imprimantes, tout est un peu plus petit que d'habitude.

Une solution saline colorée s'écoule à travers des tubes délicats dans le mince tube capillaire, qui à son tour contient un morceau de fil très fin : l'anode. Il ferme le circuit grâce à la cathode polarisée négativement, un flocon de silicium plaqué or plus petit qu'un ongle, qui est également la surface sur laquelle l'impression a lieu. Des micromoteurs et des cristaux spéciaux qui se transforment instantanément lorsqu'une tension électrique est appliquée déplacent rapidement la buse par fractions de millimètre dans les trois directions spatiales.

Puisque la moindre vibration peut perturber le processus d’impression, deux des imprimantes sont logées dans des boîtiers recouverts d’une épaisse couche de mousse acoustique de couleur foncée. De plus, ils reposent sur des plaques de granit pesant chacune 150 kilogrammes. Les deux mesures visent à éviter les vibrations indésirables. Les lampes du laboratoire sont également alimentées par piles, car les champs électromagnétiques produits par le courant alternatif provenant d'une prise interféreraient avec les minuscules courants et tensions électriques nécessaires au contrôle du processus de nano-impression.