化学家LiaisanKhasanova用了不到一分钟的时间就将一根普通的二氧化硅玻璃管变成了非常特殊的3D打印机的打印喷嘴。化学家将只有一毫米厚的毛细管插入蓝色装置中，关闭翻盖并按下按钮。几秒钟后，会发出一声巨响，喷嘴就可以使用了。

逐个原子打印实验室探索纳米级3D打印

“设备内的激光束加热管子并将其拉开。然后我们突然增加张力，使玻璃在中间破裂并形成非常尖锐的尖端，”正在攻读博士学位的Khasanova解释道。.德国奥尔登堡大学电化学纳米技术组化学专业。

Khasanova和她的同事需要微型喷嘴来打印极其微小的三维金属结构。这意味着喷嘴的开口必须同样微小——在某些情况下小到只有一个分子可以挤出。“我们正在努力将3D打印技术发挥到极致，”化学研究所初级研究小组的负责人DmitryMomotenko博士说。他的目标是：“我们希望逐个原子地组装物体。”

众多应用

这位化学家解释说，纳米级3D打印——换句话说，3D打印尺寸仅为十亿分之一米的物体——带来了惊人的机会。特别是对于金属物体，他可以设想在微电子、纳米机器人、传感器和电池技术等领域的众多应用：“这些领域的各种应用都需要导电材料，因此金属是完美的解决方案。”

虽然塑料的3D打印已经发展到这些纳米级尺寸，但事实证明使用3D技术制造微小的金属物体更加困难。对于许多高级应用来说，使用某些技术打印出的结构仍然大了一千倍，而使用其他技术则不可能制造出具有必要纯度的物体。

Momotenko专门研究电镀，这是电化学的一个分支，其中悬浮在盐溶液中的金属离子与带负电的电极接触。带正电的离子与电子结合形成中性金属原子，沉积在电极上，形成固体层。

“液态盐溶液变成固态金属——我们电化学家可以非常有效地控制这一过程，”Momotenko说。同样的工艺被用于更大规模的镀铬汽车零件和镀金珠宝。

比平时小一点

然而，将其转移到纳米尺度需要相当多的独创性、努力和细心，正如对该大学Wechloy校区的小组小型实验室的访问所证实的那样。正如Momotenko指出的那样，该实验室包含三台打印机——全部由团队自行构建和编程。与其他3D打印机一样，它们由打印喷嘴、打印材料进料管、控制机构和移动喷嘴的机械部件组成——但在这些打印机中，一切都比平常小一些。

彩色盐水溶液通过精密的管子流入细毛细管，毛细管又包含一根发丝般细的金属丝——阳极。它用负极化的阴极闭合电路，这是一种比指甲还小的镀金硅片，也是进行印刷的表面。当施加电压时，微电机和特殊晶体会瞬间变形，从而使喷嘴在所有三个空间方向上快速移动几分之一毫米。

由于即使是最轻微的振动也会中断打印过程，因此其中两台打印机被安置在盒子里，盒子上覆盖着一层厚厚的深色隔音泡沫。此外，它们搁在花岗岩板上，每个重达150公斤。这两项措施都旨在防止不必要的振动。实验室中的灯也是电池供电的，因为插座交流电产生的电磁场会干扰控制纳米印刷过程所需的微小电流和电压。

纳米世界之旅

与此同时，LiaisanKhasanova已经为测试打印做好了一切准备：打印喷嘴处于起始位置，盒子已关闭，装有浅蓝色铜溶液的小瓶连接到管子上。她启动了一个启动打印过程的程序。测量数据在屏幕上显示为曲线和点。这些显示了电流的变化，并记录了喷嘴短暂接触基板然后一次又一次缩回的情况。什么是机印?“只有几列，”她回答道。

柱子是3D打印中生成的最简单的几何形状，但奥尔登堡的研究人员还可以打印螺旋、环和各种悬垂结构。该技术目前可用于印刷铜、银和镍，以及镍锰和镍钴合金。在他们的一些实验中，他们已经深入纳米世界。Momotenko和一个国际研究团队在2021年发表在《纳米快报》(NanoLetters)杂志上的一项研究中报告说，他们已经生产出直径仅为25纳米的铜柱——首次使3D金属打印低于100纳米的极限。

这一成功的基石之一是能够精确控制打印喷嘴运动的反馈机制。它由Momotenko与博士JulianHengsteler共同开发。他在以前的工作地点瑞士苏黎世联邦理工学院指导的学生。“打印喷嘴的连续缩回非常重要，否则它会很快被堵塞，”化学家解释道。

“液态盐溶液变成固态金属——我们电化学家可以非常有效地控制这一过程。”

该团队以每秒几纳米的速度逐层打印微小物体。Momotenko仍然对在这里创造出人眼看不到的小物体感到惊讶。“你从一个你可以触摸到的物体开始。然后发生某种转变，你能够在极小的范围内控制这些看不见的东西——这几乎令人难以置信，”这位化学家说。

电动汽车可能会在几秒钟内充电

Momotenko的纳米印刷技术计划也相当令人难以置信：他的目标是为充电速度比现有型号快一千倍的电池奠定基础。“如果能够实现，你可以在几秒钟内为电动汽车充电，”他解释道。他追求的基本理念已经有20年左右的历史了。其原理是在充电过程中大幅缩短电池内部离子的路径。

为此，目前扁平的电极必须具有三维表面结构。“在目前的电池设计中，充电需要很长时间，因为电极相对较厚且相距较远，”Momotenko解释道。

他说，解决方案是在纳米尺度上像手指一样将阳极和阴极互锁起来，并将它们之间的距离减小到仅几纳米。这将允许离子以闪电般的速度在阳极和阴极之间移动。问题是：到目前为止，还不可能生产出具有所需纳米尺寸的电池结构。

Momotenko现在接受了这一挑战。在他的NANO-3D-LION项目中，目标是开发和采用先进的纳米级3D打印技术来制造具有超小结构特征的活性电池材料。在早期项目中与化学研究所GuntherWittstock教授领导的研究小组成功合作后，Momotenko决定在奥尔登堡大学开展该项目。“研究和转移部对我的资助申请非常有帮助，所以我在2021年初从苏黎世搬到了这里，”他解释道。

他的研究小组现在有四名成员：除了Khasanova，博士。学生KarunaKanes和硕士生SimonSprengel加入了团队。Kanes专注于一种旨在优化打印喷嘴精度的新方法，而Sprengel研究了打印两种不同金属组合的可能性——这是在一个步骤中同时生产阴极和阳极材料所必需的过程。

LiaisanKhasanova很快将专注于锂化合物。她的任务是找出如何使用3D打印构建目前用于锂电池的电极材料。该团队正计划研究锂铁或锂锡等化合物，然后测试电极表面的纳米“指状物”需要多大，间距是多少是可行的，以及电极应该如何排列。

处理高活性锂

这里的一个主要障碍是锂化合物具有高反应性，只能在受控条件下处理。出于这个原因，该团队最近获得了一个超大版本的实验室手套箱，这是一个气密密封室，可以充满惰性气体，如氩气。它的一侧内置了操作手套，研究人员可以用它来操作里面的物体。

该室长约三米，重半吨，尚未投入使用，但该团队计划在其中安装另一台打印机。“材料的化学转化和所有其他测试也必须在室内进行，”Momotenko解释道。

该团队将在项目过程中遇到一些主要问题：氩气氛中的微小杂质如何影响印刷的锂纳米结构?电池在秒级充电时不可避免地产生的热量如何散热?如何在合理的时间内不仅打印微型电池而且打印大电池来为手机甚至汽车供电?

“一方面，我们正在研究生产纳米级活性电极材料所需的化学方法;另一方面，我们正在努力使印刷技术适应这些材料，”Momotenko概述了当前的挑战。

研究人员强调，储能问题极其复杂，他的团队在解决它方面只能发挥很小的作用。尽管如此，他认为他的团队处于一个良好的起点：在他看来，金属的电化学3D打印是目前制造纳米结构电极和测试该概念的唯一可行选择。

除了电池技术，这位化学家还在研究其他大胆的概念。他想使用他的印刷技术来生产金属结构，从而比迄今为止更有针对性地控制化学反应。这些计划在一个相对年轻的研究领域发挥作用，称为自旋电子学，该领域专注于“自旋”的操纵——电子的一种量子力学特性。

他希望付诸实践的另一个想法是制造能够检测单个分子的传感器。“这将有助于医学，例如，在极低浓度下检测肿瘤标志物或阿尔茨海默氏症的生物标志物，”Momotenko说。

所有这些想法在化学中仍然是非常新的方法。“目前还不清楚这一切将如何运作，”他承认道。但这就是科学领域的情况：“每一个有意义的研究项目都需要长时间的思考和计划，而最终大多数想法都会失败，”他总结道。但有时他们不会——他和他的团队已经迈出了他们旅程的第一步。