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Stampa 3D per la produzione diretta di nanostrutture

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I ricercatori di TU Graz avanzano la tecnologia in modo che nanostrutture tridimensionali complesse possano essere prodotte in modo altamente controllato e prevedibile.

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Nel Christian Doppler Laboratory for Direct Write Fabrication of 3D Nano-Probes, gli scienziati della Graz University of Technology si stanno dedicando ai fondamenti della nanoprinting 3D per spingere le sue possibilità oltre i limiti attuali, utilizzando la deposizione indotta da fascio elettronico focalizzato (FEBID), già utilizzata con successo nella produzione di nanostrutture complesse, ma spesso piane.

Il team di ricerca del laboratorio Christian Doppler ha avanzato la tecnologia in modo tale che anche le nanostrutture tridimensionali complesse possono essere prodotte in modo altamente controllato e prevedibile. Oltre alla produzione di nuove strutture, il processo consente anche la modifica di micro e nano componenti già finiti. I singoli strati sottili di nanometri, che alla fine formano le architetture 3D, aderiscono praticamente a qualsiasi morfologia di materiali e superfici. Ciò consente di risparmiare tempo perché FEBID non richiede alcun pre- o post-trattamento dei campioni e consente anche la fabbricazione su superfici irregolari o ruvide.

"Questo tipo di nanoprinting 3D apre campi da gioco completamente nuovi per la scienza e l'industria", dice Harald Plank dell'Istituto di microscopia elettronica e nanoanalisi di TU Graz e capo del laboratorio Christian Doppler. "Con la nuova tecnologia si possono affrontare sfide future che sono appena possibili con metodi alternativi di nanofabbricazione come la litografia a fascio elettronico. "Con questo metodo, sarebbe anche possibile produrre nanostrutture 3D su una punta di matita in un unico passaggio, cosa molto difficile da fare con tecnologie alternative"

Come funziona la tecnologia di nanoprinting 3D

Il nuovo processo sarà utilizzato in collaborazione con i partner industriali GETec Microscopy (Vienna) e Anton Paar GmbH (Graz) nel campo della microscopia a forza atomica per la produzione di nanosonde funzionali con raggi apicali inferiori a dieci nanometri.

"Il processo di stampa si svolge nella camera a vuoto dei microscopi elettronici. I gas funzionali vengono introdotti con un capillare fine in prossimità del campione. Le molecole gassose poi si adsorbono sulla superficie e vengono scomposte chimicamente e immobilizzate dal fascio di elettroni focalizzato - rimangono in posizione grazie all'interazione con gli elettroni", spiega Plank. "Puoi immaginare la nanoprinting in 3D come una penna a sfera: Il fascio di elettroni agisce come una penna a sfera e il gas è l'inchiostro"

Plank e il suo team si sono ispirati ai mattoncini Lego per la stampa di strutture inclinate: "Per costruire un'architettura inclinata con Lego, il successivo strato superiore di mattoni deve essere sempre spostato lateralmente. Questo è esattamente quello che abbiamo trasferito alla nanoprinting 3D: Prima di applicare lo strato successivo, spostiamo il fascio di elettroni e stampiamo letteralmente in diagonale verso l'alto"

Attuazione di successo

Negli ultimi 20 mesi, il laboratorio Christian Doppler è stato in grado di fornire la prima prova di principio; FEBID è stato utilizzato con successo per la produzione di nanosonde elettricamente conduttive, le cui prestazioni sono significativamente superiori a quelle di prodotti alternativi disponibili in commercio.

Plank e la sua squadra sono soddisfatti del risultato: "La produzione in piccola serie inizierà a Vienna nei prossimi mesi e aprirà nuove possibilità per il partner industriale GETec Microscopy"

Cooperazione internazionale

Per garantire che il nuovo processo non rimanga una tecnologia di nicchia, i ricercatori del laboratorio Christian Doppler stanno attualmente sviluppando un nuovo software per la nanoprinting 3D basato su FEBID, che consentirà la realizzazione di nanostrutture complesse anche senza ampie conoscenze preliminari. Per questo, Plank e il suo gruppo di ricerca hanno unito le forze con i laboratori nazionali Oak Ridge e l'Istituto di Fisica della Goethe University Frankfurt. Questo progetto si concentra anche sull'estensione del processo alle superfici 3D e alle strutture multi-materiali, il che aumenta ulteriormente la flessibilità progettuale e quindi l'importanza di questa tecnologia nella ricerca e sviluppo.

Il laboratorio Christian Doppler per la fabbricazione diretta di nanoprobe 3D è ancorato nel campo della scienza dei materiali avanzati, una delle cinque aree strategiche focali dell'Università di Tecnologia di Graz.