Neue 3D-Drucktechnik zur Herstellung ultrakleiner Metallobjekte

Nov 02, 2023

22. Mai 2023

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by Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Chemikers Dmitry Momotenko hat eine neue 3D-Drucktechnik zur Herstellung ultrakleiner Metallobjekte entwickelt. Mit dieser Technik wollen die Forscher die Oberfläche der Batterieelektroden deutlich vergrößern, um die Ladezeiten drastisch zu verkürzen.

Die Chemikerin Liaisan Khasanova braucht weniger als eine Minute, um ein gewöhnliches Quarzglasrohr in eine Druckdüse für einen ganz besonderen 3D-Drucker zu verwandeln. Der Chemiker führt das nur einen Millimeter dicke Kapillarröhrchen in ein blaues Gerät ein, schließt die Klappe und drückt einen Knopf. Nach ein paar Sekunden ertönt ein lauter Knall und die Düse ist einsatzbereit.

„Ein Laserstrahl im Inneren des Geräts erhitzt das Rohr und zieht es auseinander. Dann erhöhen wir plötzlich die Zugkraft, sodass das Glas in der Mitte bricht und eine sehr scharfe Spitze entsteht“, erklärt Khasanova, die an ihrer Doktorarbeit arbeitet . in Chemie in der Gruppe Elektrochemische Nanotechnologie.

Khasanova und ihre Kollegen benötigen die winzigen Düsen, um unglaublich kleine dreidimensionale Metallstrukturen zu drucken. Das bedeutet, dass die Öffnungen der Düsen ebenso klein sein müssen – in manchen Fällen so klein, dass sich nur ein einziges Molekül hindurchzwängen kann. „Wir versuchen, den 3D-Druck an seine technologischen Grenzen zu bringen“, sagt Dr. Dmitry Momotenko, der die Nachwuchsgruppe am Institut für Chemie leitet. „Wir wollen Objekte Atom für Atom zusammensetzen.“

Der nanoskalige 3D-Druck, also der 3D-Druck von Objekten, die nur wenige Milliardstel Meter groß sind, eröffne erstaunliche Möglichkeiten, erklärt der Chemiker. Insbesondere für Metallobjekte kann er sich zahlreiche Anwendungen in Bereichen wie Mikroelektronik, Nanorobotik, Sensorik und Batterietechnik vorstellen. „Für alle Anwendungen in diesen Bereichen werden elektrisch leitende Materialien benötigt, daher sind Metalle die perfekte Lösung.“

Während der 3D-Druck von Kunststoffen bereits in diese nanoskaligen Dimensionen vorgedrungen ist, hat sich die Herstellung winziger Metallobjekte mithilfe der 3D-Technologie als schwieriger erwiesen. Bei manchen Techniken sind die gedruckten Strukturen für viele fortgeschrittene Anwendungen immer noch tausendmal zu groß, bei anderen ist es unmöglich, die Objekte mit dem nötigen Reinheitsgrad herzustellen.

Momotenko ist auf Galvanik spezialisiert, einen Zweig der Elektrochemie, bei dem in einer Salzlösung suspendierte Metallionen mit einer negativ geladenen Elektrode in Kontakt gebracht werden. Die positiv geladenen Ionen verbinden sich mit Elektronen zu neutralen Metallatomen, die sich auf der Elektrode ablagern und eine feste Schicht bilden.

„Aus einer flüssigen Salzlösung wird ein festes Metall – ein Prozess, den wir Elektrochemiker sehr gut steuern können“, sagt Momotenko. Dasselbe Verfahren wird in größerem Umfang zum Verchromen von Autoteilen und zum Vergolden von Schmuck verwendet.

Allerdings erfordert die Übertragung auf die Nanoskala viel Einfallsreichtum, Mühe und Sorgfalt, wie ein Besuch im kleinen Labor der Gruppe auf dem Wechloy-Campus bestätigt. Das Labor enthält drei Drucker – alle vom Team selbst gebaut und programmiert, wie Momotenko betont. Wie andere 3D-Drucker bestehen sie aus einer Druckdüse, Schläuchen zum Zuführen des Druckmaterials, einem Steuermechanismus und den mechanischen Komponenten zum Bewegen der Düse – allerdings ist bei diesen Druckern alles etwas kleiner als üblich.

Durch feine Röhrchen fließt eine farbige Kochsalzlösung in das dünne Kapillarröhrchen, in dem sich wiederum ein hauchdünnes Stück Draht befindet – die Anode. Es schließt den Stromkreis mit der negativ polarisierten Kathode, einem vergoldeten Siliziumplättchen, das kleiner als ein Fingernagel ist und gleichzeitig die Oberfläche ist, auf der der Druck erfolgt. Mikromotoren und spezielle Kristalle, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung augenblicklich verändern, bewegen die Düse schnell um Bruchteile eines Millimeters in alle drei Raumrichtungen.

Da bereits kleinste Vibrationen den Druckvorgang stören können, sind zwei der Drucker in Boxen untergebracht, die mit einer dicken Schicht aus dunklem Akustikschaumstoff bedeckt sind. Darüber hinaus ruhen sie auf jeweils 150 Kilogramm schweren Granitplatten. Beide Maßnahmen zielen darauf ab, unerwünschte Vibrationen zu verhindern. Auch die Lampen im Labor sind batteriebetrieben, da die elektromagnetischen Felder, die durch Wechselstrom aus einer Steckdose erzeugt werden, die winzigen elektrischen Ströme und Spannungen stören würden, die zur Steuerung des Nanodruckprozesses erforderlich sind.

Inzwischen hat Liaisan Khasanova alles für einen Testdruck vorbereitet: Die Druckdüse befindet sich in ihrer Ausgangsposition, die Box ist geschlossen, ein Fläschchen mit einer hellblauen Kupferlösung ist an die Schläuche angeschlossen. Sie startet ein Programm, das den Druckvorgang initiiert. Messdaten werden auf einem Bildschirm als Kurven und Punkte angezeigt. Diese zeigen die Schwankungen des Stromflusses und registrieren, dass die Düse den Untergrund kurzzeitig berührt und dann immer wieder zurückfährt. Was ist der Maschinendruck? „Nur ein paar Spalten“, antwortet sie.

Säulen sind die einfachsten geometrischen Formen, die im 3D-Druck erzeugt werden, aber auch Spiralen, Ringe und alle möglichen überhängenden Strukturen können die Oldenburger Forscher drucken. Mit der Technik können derzeit Kupfer, Silber und Nickel sowie Nickel-Mangan- und Nickel-Kobalt-Legierungen gedruckt werden.

In einigen ihrer Experimente sind sie bereits tief in die Nanowelt vorgedrungen. Momotenko und ein internationales Forscherteam berichteten in einer 2021 in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlichten Studie, dass sie Kupfersäulen mit einem Durchmesser von nur 25 Nanometern hergestellt hatten – womit der 3D-Metalldruck erstmals die 100-Nanometer-Grenze unterschritt.

Einer der Eckpfeiler für diesen Erfolg war ein Feedback-Mechanismus, der eine präzise Steuerung der Bewegungen der Druckdüse ermöglicht. Es wurde von Momotenko zusammen mit Julian Hengsteler, einem Ph.D., entwickelt. Student, den er an seinem vorherigen Arbeitsplatz, der ETH Zürich in der Schweiz, betreute. „Das kontinuierliche Zurückziehen der Druckdüse ist enorm wichtig, da diese sonst schnell verstopfen würde“, erklärt der Chemiker.

Das Team druckt die winzigen Objekte Schicht für Schicht mit einer Geschwindigkeit von wenigen Nanometern pro Sekunde. Momotenko findet es immer noch erstaunlich, dass hier Objekte entstehen, die zu klein sind, um für das menschliche Auge sichtbar zu sein. „Man beginnt mit einem Objekt, das man anfassen kann. Dann findet eine gewisse Transformation statt und man kann diese unsichtbaren Dinge im kleinsten Maßstab kontrollieren – das ist fast unglaublich“, sagt der Chemiker.

Momotenkos Pläne für seine Nanodrucktechnik sind ebenfalls ziemlich umwerfend. Sein Ziel ist es, den Grundstein für Akkus zu legen, die sich tausendmal schneller laden lassen als aktuelle Modelle. „Wenn das gelingt, könnte man ein E-Auto innerhalb von Sekunden laden“, erklärt er. Die Grundidee, die er verfolgt, ist bereits rund 20 Jahre alt.

Das Prinzip besteht darin, die Wege der Ionen im Inneren der Batterie während des Ladevorgangs drastisch zu verkürzen. Dazu müssten die bisher flachen Elektroden eine dreidimensionale Oberflächenstruktur aufweisen. „Beim aktuellen Batteriedesign dauert das Laden so lange, weil die Elektroden relativ dick und weit voneinander entfernt sind“, erklärt Momotenko.

Die Lösung, sagt er, bestehe darin, die Anoden und Kathoden auf der Nanoskala wie Finger ineinander zu greifen und den Abstand zwischen ihnen auf nur wenige Nanometer zu reduzieren. Dadurch könnten sich die Ionen blitzschnell zwischen Anode und Kathode bewegen. Das Problem: Bisher war es nicht möglich, Batteriestrukturen in den erforderlichen Nanodimensionen herzustellen.

Dieser Herausforderung hat sich Momotenko nun angenommen. In seinem NANO-3D-LION-Projekt besteht das Ziel darin, fortschrittliche nanoskalige 3D-Drucktechniken zu entwickeln und einzusetzen, um aktive Batteriematerialien mit ultrakleinen Strukturmerkmalen herzustellen.

Nachdem Momotenko in einem früheren Projekt erfolgreich mit einer Forschungsgruppe um Prof. Dr. Gunther Wittstock am Institut für Chemie zusammengearbeitet hatte, entschied er sich, das Projekt an der Universität Oldenburg anzusiedeln. „Die Abteilung für Forschung und Transfer hat mir bei meinem Stipendienantrag sehr geholfen, sodass ich Anfang 2021 von Zürich hierher gezogen bin“, erklärt er.

Seine Forschungsgruppe hat mittlerweile vier Mitglieder: neben Khasanova, Ph.D. Studentin Karuna Kanes und Masterstudent Simon Sprengel sind dem Team beigetreten. Kanes konzentriert sich auf eine neue Methode zur Optimierung der Präzision der Druckdüse, während Sprengel die Möglichkeit untersucht, Kombinationen aus zwei verschiedenen Metallen zu drucken – ein Prozess, der notwendig ist, um Kathoden- und Anodenmaterial gleichzeitig in einem Schritt herzustellen.

Liaisan Khasanova wird sich bald auf Lithiumverbindungen konzentrieren. Ihre Aufgabe wird es sein, herauszufinden, wie sich die derzeit in Lithiumbatterien verwendeten Elektrodenmaterialien mithilfe des 3D-Drucks strukturieren lassen. Das Team will Verbindungen wie Lithium-Eisen oder Lithium-Zinn untersuchen und anschließend testen, wie groß die Nano-„Finger“ auf den Elektrodenoberflächen sein müssen, welche Abstände möglich sind und wie die Elektroden ausgerichtet sein sollten.

Eine große Hürde hierbei ist, dass Lithiumverbindungen hochreaktiv sind und nur unter kontrollierten Bedingungen gehandhabt werden können. Aus diesem Grund hat sich das Team kürzlich eine extragroße Version einer Labor-Handschuhbox angeschafft, einer gasdicht verschlossenen Kammer, die mit einem Inertgas wie Argon gefüllt werden kann. An einer Seite sind Handhabungshandschuhe eingebaut, mit denen die Forscher die Objekte im Inneren manipulieren können.

Die etwa drei Meter lange und eine halbe Tonne schwere Kammer ist noch nicht in Betrieb, das Team plant jedoch, darin einen weiteren Drucker aufzustellen. „Die chemische Umwandlung des Materials und alle anderen Tests müssen ebenfalls innerhalb der Kammer durchgeführt werden“, erklärt Momotenko.

Im Laufe des Projekts wird das Team auf einige wichtige Fragen stoßen. Wie wirken sich winzige Verunreinigungen in der Argonatmosphäre auf die gedruckten Lithium-Nanostrukturen aus? Wie kann die Wärme, die beim sekundenschnellen Laden von Akkus zwangsläufig entsteht, abgeführt werden? Wie druckt man nicht nur winzige Batteriezellen, sondern auch große Batterien für den Betrieb eines Mobiltelefons oder sogar eines Autos – und das innerhalb einer angemessenen Zeit?

„Einerseits arbeiten wir an der Chemie, die nötig ist, um aktive Elektrodenmaterialien im Nanomaßstab herzustellen, andererseits versuchen wir, die Drucktechnologie an diese Materialien anzupassen“, skizziert Momotenko die aktuellen Herausforderungen.

Das Problem der Energiespeicherung sei äußerst komplex und sein Team könne nur einen kleinen Beitrag zur Lösung leisten, betont der Forscher. Dennoch sieht er seine Gruppe in einer guten Ausgangslage: Seiner Meinung nach ist der elektrochemische 3D-Druck von Metallen derzeit die einzig gangbare Möglichkeit, nanostrukturierte Elektroden herzustellen und das Konzept zu testen.

Neben der Batterietechnologie arbeitet der Chemiker auch an weiteren mutigen Konzepten. Mit seiner Drucktechnik möchte er Metallstrukturen herstellen, die eine gezieltere Steuerung chemischer Reaktionen ermöglichen als bisher. Solche Pläne spielen eine Rolle in einem relativ jungen Forschungsgebiet namens Spintronik, das sich auf die Manipulation des „Spins“ – einer quantenmechanischen Eigenschaft von Elektronen – konzentriert.

Eine weitere Idee, die er in die Tat umsetzen möchte, ist die Herstellung von Sensoren, die einzelne Moleküle erkennen können. „Das wäre in der Medizin hilfreich, etwa um Tumormarker oder Biomarker für Alzheimer in extrem geringen Konzentrationen nachzuweisen“, sagt Momotenko.

All diese Ideen sind noch sehr neue Ansätze in der Chemie. „Es ist noch nicht klar, wie das alles funktionieren soll“, gibt er zu. Aber so ist es in der Wissenschaft. „Jedes sinnvolle Forschungsprojekt erfordert langes Nachdenken und Planen, und am Ende scheitern die meisten Ideen“, schließt er. Aber manchmal ist das nicht der Fall – und er und sein Team haben bereits die ersten erfolgreichen Schritte auf ihrem Weg gemacht.

Zeitschrifteninformationen:Nano-Buchstaben

Provided by Carl von Ossietzky Universität Oldenburg