サブミクロンスケールのマルチメタル電気油圧酸化還元3Dプリント

寄稿者: 王清瑞、田暁勇

電気化学を利用すると、大量の金属を液体溶媒に溶解し、再沈殿させることができます。著者らは、溶解した金属イオンを犠牲陽極から集中的に電気流体力学的に噴射し、その後基板上で元素金属に還元するという手法を 3D 印刷に利用しました。電気油圧酸化還元印刷と呼ばれるこの技術により、印刷後の処理を必要とせずに、多結晶、多金属の 3D 構造をインクなしで直接製造できるようになります。単一のマルチチャネルノズルから印刷された 2 つの金属の動的な切り替えと混合により、400 nm 未満の化学特徴サイズ、250 nm の空間解像度、および最大 10 ボクセル/秒の印刷速度が実現します。

このインクを使用しないアプローチは、複数の高品質金属を単一のノズルから直接印刷および混合できるため、金属の小規模なマルチマテリアル積層造形の制限を克服します。サブミクロンの幾何学的特徴サイズと印刷化学の急速な調整の組み合わせにより、印刷された構造の 3D 化学構造に対する優れた制御が可能になり、サブミクロンスケールでの局所的な合金化を通じて局所的な特性を調整できるようになります。

電気油圧酸化還元印刷の原理は、金属堆積物の電気化学的合成です。液体溶媒に浸された金属陽極が印刷ノズル内でその場で溶解し、溶解した金属イオンを生成します。この金属イオンは基板上に噴射され、そこで還元されて金属堆積物を形成します。 80～150 V の DC 電圧をノズルに印加して液滴の吐出を駆動すると同時に、ソース電極を溶解するのに十分な高い陽極表面電位を確保しました。電気油圧酸化還元印刷により、孤立した粒子の堆積ではなく、高密度材料の高度に局所化された電気化学的成長と堆積化学の連続的な調整が可能になります。

電気油圧式酸化還元印刷の主な特徴は、マルチチャネルノズルから複数の金属を同時に印刷できることです。一方の電極のみに正電圧を印加すると、1 種類のイオンのみが生成され、放出されます。両方の電極に同時にバイアスをかけると、合金が堆積します。

電気油圧酸化還元印刷によって印刷された幾何学的特徴は、サブマイクロメートルの範囲内に十分収まります (図 1a)。層ごとの印刷モードの空間解像度は 250 nm (図 1b) であり、100 nm 未満の面内特徴が印刷されています (図 1c)。アスペクト比が 102～103 (図 1d)、オーバーハングが最大 90° (図 1e) のラインはポイントごとの印刷で製造できますが、より複雑な形状はレイヤーごとのアプローチで印刷できます (図 1f)。一般に、印刷速度は他の電気化学マイクロスケール積層造形技術よりも桁違いに速く、数百ミクロン幅の構造を印刷することができます。しかし、幾何学的な複雑さと現実感は、現時点では、他の単一金属技術が提供するものほど高くありません。

図 1 電気油圧酸化還元印刷効果この印刷プロセスのもう 1 つの利点は、化学構造の追加を制御して局所コンポーネントの構造を調整し、最終的に局所的な材料特性の決定論的なプログラミングを実現できることです。たとえば、印刷された銅のサポート構造を選択的にエッチングして、ジオメトリ上にブリッジ構造を実現できます (図 2a-c)。さらに、銅銀合金の印刷は、ナノスケールの多孔性を持つ局所的に制御された柱状構造の製造に使用でき、機械的強度のステップ関数をもたらします (図 2d～h)。これは、柱を曲げたときに柔らかい多孔質部分の可塑性が大幅に増加するという形で現れます (図 2f)。どちらの例でも、電気化学的に異なる貴さを持つ 2 つの金属を 1 つの印刷構造に組み合わせることで、どちらかの材料だけでは実現できない用途が可能になります。

図 2 印刷材料のプログラム可能な設計要約すると、電気油圧酸化還元印刷は、小規模での多金属積層造形における最先端技術を大幅に進歩させ、積層合成された金属の 3D 化学に対する優れた制御を提供します。直接的なインクフリーのプロセスにより、競争力のある速度と周囲圧力で優れた機械的特性と良好な電気的特性を実現します。したがって、電気油圧酸化還元印刷は、局所的に調整された特性と合金元素の合理的な使用を備えた化学的に設計された 3D デバイスおよび材料のボトムアップ製造のための独自の方法を切り開く可能性があります。この材料は、単一材料セル設計を超えて、触媒、活性化学デバイス、小型ロボット、建築材料などへの応用が期待されます。

参考文献:
Alain Reiser、Ralph Spolenak、他「サブミクロンスケールでのマルチメタル電気流体力学的酸化還元3Dプリンティング」Nature Communications. 2019(10)

寄稿者: 王清瑞田暁勇寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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