Drucken mit Ionen Die Additive Fertigung erobert atomare Dimensionen

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Forscher machen es jetzt möglich, dass komplexe metallische Strukturen im Nanometerbereich per 3D-Druck gefertigt werden können. Und so wird`s gemacht.

Dem Chemiker Dr. Dmitry Momotenko von der Universität Oldenburg ist es jetzt gelungen, mit einer neuen, elektrochemischen 3D-Drucktechnik extrem kleine Metallobjekte herzustellen, wie es heißt. Die Produkte könnten der Mikroelektronik, der Sensorik oder der Batterietechnik neue Möglichkeiten bieten, berichtete Momotenko gemeinsam mit einem Team aus Forschern von der ETH Zürich und der Nanyang Technological University in Singapur in der Zeitschrift Nano Letters. Mit dem elektrochemischen Druckverfahren können Objekte aus Kupfer mit einem Durchmesser von 25 Milliardstel Metern (also 25 Nanometern) gefertigt werden. Die Beteiligten betonen, dass ein menschliches Haar etwa 3000-mal dicker ist, als die erzeugbaren Strukturen.

Additive Fertigung geschieht quasi Ion für Ion

Das Druckverfahren beruht auf dem, wie es weiter heißt, vergleichsweise einfachen und altbekannten Prozess der Galvanik. Dazu nutzt man positiv geladene Metallionen (hier Kupferionen) in einer Lösung. Wenn diese Lösung in Kontakt mit einer negativ geladenen Elektrode kommt, verbinden sich die Metallionen mit den dort vorhandenen Elektronen zu einem neutralen Metallatom, das sich auf der Elektrode absetzt, erklären die Experten. So bildet sich nach und nach eine feste Metallschicht. Der Prozess sei außerdem gut kontrollierbar. Die Kupferionenlösung applizieren die Forscher dabei mit einer Pipette durch eine Druckdüse tröpfchenweise an den Ort, an dem die Struktur entstehen soll. Bisher hatte die Öffnung einen Durchmesser zwischen 253 und 1,6 Nanometern. Ein derart winziges Loch könnten gleichzeitig nur zwei Kupferionen passieren, merken die Oldenburger an. Die kleinstmöglichen Objekte, die mit dem Verfahren druckbar seien, haben einen Durchmesser von etwa 25 Nanometern. Das entspricht 195 Kupferatomen in einer Reihe.

Problem der Düsenverstopfung wurde eliminiert

Dabei galt es strikt zu vermeiden, dass die wachsende Metallschicht die Öffnung der Druckdüse verstopft, was recht schnell passiert, heißt es. Das Team entwickelte deshalb eine Möglichkeit, um den Druckfortschritt zu überwachen. Sie registrieren dafür den elektrischen Strom zwischen der negativen Elektrode und einer zusätzlichen positiven Elektrode innerhalb der Pipette. Je nachdem kann die Bewegung der Düse auf die Verhältnisse angepasst werden.

Die Düse nähert sich der Elektrode außerdem immer nur für kurze Zeit und zieht sich zurück, sobald die Metallschicht eine bestimmte Dicke überschreitet. So kann die Nanostruktur problemlos aufgebaut werden. Durch eine präzise Positionierung der Düse gelang es dem Team auch, sowohl senkrechte Säulen als auch geneigte oder spiralförmige Gebilde zu drucken. Selbst waagerechte Strukturen sind machbar, indem man einfach die Druckrichtung ändert, führen die Forschenden weiter aus.

Auch der Durchmesser der Gebilde lässt sich nach Aussage der Wissenschaftler steuern: Zum einen durch die Größe der Druckdüsen, zum anderen auch während des Druckvorgangs, wenn man die elektrochemischen Parameter entsprechend ändert.

Steht die nächste Revolution in Sachen Additive Fertigung an?

Das neue elektrochemische 3D-Druckverfahren bietet also die Chance, deutlich kleinere Metallobjekte zu drucken als bisher. Die Forscher betonen, dass sich mit den derzeit üblichen Metalldruckverfahren auf Pulverbasis lediglich eine Auflösung von etwa 100 Mikrometern erreichen lässt. Die kleinsten klassisch herstellbaren Druckobjekte sind also 4.000-mal größer. Zwar lassen sich mit anderen Verfahren noch kleinere Strukturen herstellen, doch die Auswahl möglicher Materialien ist dabei begrenzt.

Das könnte der „Ionendrucker“ für die Zukunft bringen

Mit 3D-Druck bearbeitete Grenzflächen könnten beispielsweise als Katalysatoren zur Herstellung komplexer Chemikalien genutzt werden, meint Momotenko. Und dreidimensional strukturierte Elektroden könnten elektrische Energie effizienter speichern. Genau an dieser Aufgabe arbeiteten der Chemiker und sein Team derzeit. Genauer gesagt, im Projekt „NANO-3D-LION“, im Rahmen dessen sie die Oberfläche von Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien per 3D-Druck drastisch vergrößern wollen, um dadurch den Ladeprozess zu beschleunigen.

Der Europäische Forschungsrat (European Research Council, ERC) fördert das Vorhaben seit März 2021 mit einem sogenannten „Starting Grant“.

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