Vědci z Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity vyvinuli unikátní metodu pro tisk kovu z nanočástic, která dovoluje kombinovat slinuté a nanočásticové struktury v rámci jednoho výrobku.
Aditivní technologie výroby se na makro škále osvědčila pro rychlé prototypování a vývoj na míru či přípravu porézních struktur. Technologie tisku kovu na rozhraní mikro a nano-škály otevírá možnosti uplatnění například v elektronice, optice a lékařství – stačí si představit implantát na míru, který obsahuje natištěné vodiče a senzory.
Standardní technologie tisku kovu pomocí laserového spékání využívají zrna o velikosti desítek až stovek mikrometrů, tedy zhruba tloušťky lidského vlasu, na substrát se dopravují mechanicky a teplota spékání bývá blízko bodu tání materiálu, což přirozeně limituje rozlišení tisku. Tyto limity lze překonat použitím menších zrn – nanočástic. Ale jak takové nanočástice vyrobit a zároveň je rovnoměrně nanést na podložku? Jak zabránit jejich oxidaci?
Tým vědců ukázal, že to možné je, a to pomocí kombinace selektivního laserového spékání a plynné agregace nanočástic. Tuto technologii přípravy nanočástic si můžeme zjednodušeně představit jako tvorbu deště. Nejdříve se vytvoří nasycená pára, která poté kondenzuje do dešťových kapek, které padají k zemi. Jihočeští vědci toto umí s kovy za využití velmi vysokého vakua a nízkoteplotního plazmatu, kdy místo dešťových kapek generují svazek nanočástic, tedy objektů 1000x menších, než je průměr lidského vlasu.
V nanosvětě se ale hmota chová úplně jinak. Například stříbrná kovová nanočástice je daleko menší než vlnová délka světla, když takovou nanočástici osvítíme, rozkmitáme v ní elektrony, a díky tomu jedna vrstva takových nanočástic absorbuje přibližně polovinu dopadajícího světla. Navíc teplota spékání klesne z 962°C na 200°C. Toho lze s výhodou využít – nejenže lze struktury spékat za nižšího výkonu laseru, ale lze navíc struktury za vysokého výkonu jednoduše odpařit.
Zjednodušeně řečeno do zařízení nainstalujeme kovový kroužek a po zapnutí zdroje elektrického napětí do svazku nanočástic vložíme podložku, na kterou chceme tisknout, a ozáříme ji laserem naprogramovaným pro tisk dané struktury, která kombinuje nanočástice a slinutý kov s rozlišením tisku limitovaným vlnovou délkou světla, nikoli velikostí částic.
Vyvinutá technologie byla otestována na tisku mikrozrcátek, mikrodrátků tvořených nanočásticemi či slitým kovem nebo tisku loga Technologické agentury České republiky jako poděkování za financování výzkumu. Vědci doufají, že v budoucnu technologie pomůže prototypovat senzory a flexibilní elektroniku, zejména pro zdravotnictví.
Unikátní zařízení a metoda vznikla ve spolupráci Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity, konkrétně Katedry fyziky (Laboratoř fyziky nanomateriálů pod vedením Jiřího Kratochvíla), Katedry chemie (Laboratoř spektroskopie jednotlivých molekul pod vedením Tomáše Fessla) a Akademie věd (Laboratoř elektronové mikroskopie pod vedením Marie Vancové). Technologie byla vybrána do finále národní soutěže Transfera, byla patentována a byla publikována v prestižním vědeckém časopise Nano Letters, nakladatelství American Chemical Society, přičemž ji redakce vybrala na přední obálku vydání tohoto periodika. (https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c03131).
Kontakt: RNDr. Jiří Kratochvíl, Ph.D. (
Fotogalerie
