Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di una sezione trasversale di un nano-reticolo ottaedrico di nichel generato utilizzando la nuova tecnica additiva. Le frecce gialle indicano grandi vuoti nella struttura. La vista ingrandita (a destra) evidenzia alcuni nodi con porosità concentrata. Nonostante questi difetti, i materiali nanoarchitettonici mostrano una resistenza sorprendente.
Nuova tecnologia Caltech: componenti metallici 3D nanometrici ultra‑resistenti creati con litografia a due fotoni. Una svolta per dispositivi medici, microchip avanzati e applicazioni spaziali ad alte prestazioni
Metalli 3D ultra‑resistenti: la scoperta che cambia la nano‑ingegneria.
Gli scienziati del Caltech hanno scoperto come progettare con precisione minuscoli componenti metallici tridimensionali (3D) con dimensioni su scala nanometrica. Il processo può essere applicato a qualsiasi metallo o lega metallica e produce componenti di sorprendente resistenza nonostante una microstruttura porosa e piena di difetti, rendendolo potenzialmente utile in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui dispositivi medici, chip per computer ed equipaggiamenti necessari per missioni spaziali.
Gli scienziati descrivono il loro metodo in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications (1). Il lavoro è stato svolto nel laboratorio della dottoressa Julia R. Greer (2), Ruben F. and Donna Mettler Professor of Materials Science, Mechanics and Medical Engineering al Caltech, e di Huajian Gao (3) della Tsinghua University di Pechino.
I ricercatori utilizzano una tecnica chiamata litografia a due fotoni, che consente di costruire sequenzialmente un oggetto della dimensione e forma desiderate controllando con precisione la geometria al livello dei singoli voxel, i più piccoli volumi o elementi distinguibili in un’immagine 3D. Partendo da un liquido fotosensibile, gli scienziati usano un raggio laser a femtosecondi strettamente focalizzato - un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo - per creare la forma desiderata a partire da un materiale gelatinoso chiamato idrogel. Dopo aver infuso la miniatura in idrogel con sali metallici, come nitrato di rame o nitrato di nichel, riscaldano la struttura due volte in una fornace specializzata per ottenere una replica metallica rimpicciolita della forma originale.
«È lì che avviene la magia», afferma Greer, che è anche executive officer per la fisica applicata e la scienza dei materiali al Caltech. Per prima cosa, gli scienziati bruciano tutti i composti organici presenti nell’idrogel, lasciando un ossido metallico come ossido di nichel o ossido di ferro. Talvolta, ad esempio quando creano lenti o altri elementi ottici, il prodotto desiderato è completo dopo questo primo passaggio termico. Per altri materiali, i ricercatori eseguono un secondo passaggio termico utilizzando un diverso insieme di gas nella fornace per rimuovere l’ossigeno riducendo l’ossido metallico, lasciando così soltanto la struttura metallica desiderata.
«A causa di questo processo termico, si verifica un’enorme quantità di restringimento», afferma Greer. In effetti, il processo può ridurre il volume pre-riscaldamento fino al 90 percento, producendo ad esempio minuscole strutture reticolari o scambiatori di calore con dimensioni complessive inferiori a 50 micron e elementi costitutivi misurati in nanometri.
Costruire modelli affidabili
Il team della Greer può anche dissezionare queste strutture in miniatura, rivelando ogni difetto presente. In effetti, il team ha scoperto che queste nanostrutture sono tutt’altro che perfette: contengono numerosi difetti, come pori, bordi di grano e persino inclusioni o impurità. Se questo tipo di microstrutture fosse riscontrato in parti metalliche di dimensioni macroscopiche, i materiali verrebbero probabilmente scartati perché sarebbero deboli e soggetti a cedimento.
Ma quando gli scienziati hanno incorporato i dettagli microstrutturali dei loro minuscoli pezzi 3D nei modelli, hanno scoperto che questi prevedono resistenze realistiche fino a 50 volte superiori rispetto a quelle che ci si aspetterebbe dagli stessi metalli con dimensioni maggiori e microstrutture simili. Le cose semplicemente funzionano in modo diverso alla scala nanometrica, dove è noto l’effetto dimensionale “più piccolo è diverso”.
Greer sottolinea che, a differenza di altri modelli di parti strutturali che trattano i materiali come ideali o non tengono conto accuratamente dei difetti, i modelli sviluppati dai suoi collaboratori della Nanyang Technological University di Singapore sono fisicamente pertinenti e affidabili.
«Abbiamo inserito esattamente la microstruttura che abbiamo scoperto nei modelli. Non è un’inferenza. Non è qualcosa di rappresentativo. È la microstruttura reale che abbiamo creato», spiega la dottoressa Greer. Di conseguenza, per la prima volta, i modelli prevedono le corrette resistenze osservate nelle parti fabbricate.
La dottoressa Julia R. Greer sostiene: «Credo che questo lavoro dimostri fondamentalmente che in futuro, anche quando “nano‑progetteremo” il nostro mondo con parti personalizzate, saremo in grado di prevederne in modo affidabile le proprietà, qualcosa che la società non è ancora riuscita a realizzare. E non dovremo scartare una parte solo perché contiene difetti».
Riferimenti:
(1) Nanoporosity-driven deformation of additively manufactured nano-architected metals
(2) Julia R. Greer
(3) Huajian Gao
Descrizione foto: Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di una sezione trasversale di un nano-reticolo ottaedrico di nichel generato utilizzando la nuova tecnica additiva. Le frecce gialle indicano grandi vuoti nella struttura. La vista ingrandita (a destra) evidenzia alcuni nodi con porosità concentrata. Nonostante questi difetti, i materiali nanoarchitettonici mostrano una resistenza sorprendente. - Credit: Greer Lab/Caltech.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Engineering Tiny 3D Metallic Parts