برای نخستین بار، دانشمندان فناوری چاپ سه‌بعدی جدیدی توسعه داده‌اند که با وضوح بسیار بالا می‌تواند میکروساختارهایی (ذرات بسیار ریز) پیشرفته را با استفاده از ماده MXene ایجاد کند.
به گزارش تکناک، MXene یک نانوماده دو‌بعدی است که از لایه‌های متناوب فلز و کربن تشکیل شده و به دلیل هدایت الکتریکی فوق‌العاده و قابلیت محافظت الکترومغناطیسی استثنایی، به عنوان یک ماده رویایی شناخته می‌شود.
این ماده که در سال ۲۰۱۱ در ایالات متحده آمریکا کشف شد، تاکنون در باتری‌های پربازده و محافظ‌های الکترومغناطیسی استفاده شده است، اما به دلیل چالش‌های فنی، استفاده از آن در فناوری چاپ سه‌بعدی محدود بود.
فهرست مطالب
چالش‌های استفاده از MXene در چاپ سه‌بعدی
استفاده از MXene در چاپ سه‌بعدی با موانع متعددی همراه بود. این ماده به افزودنی‌هایی (بایندر) نیاز داشت که ویژگی‌های اصلی آن را تضعیف می‌کردند. همچنین، دستیابی به ویسکوزیته (غلظت) مناسب جوهر چاپ، چالش بزرگی بود. غلظت بالای MXene باعث گرفتگی نازل می‌شد، در حالی که غلظت پایین، چاپ را بی‌اثر می‌کرد. این مشکلات استفاده از MXene در چاپ سه‌بعدی را محدود کرده بود.
راه‌حل نوآورانه
تیم تحقیقاتی مرکز تحقیقاتی KERI به سرپرستی دکتر سئول سونگ‌کوان، روشی منحصربه‌فرد به نام Meniscus را توسعه دادند تا این چالش‌ها را برطرف کنند. در این روش، یک قطره جوهر تحت فشار ثابت، سطحی منحنی ایجاد می‌کند که به دلیل کشش مویینگی بدون ترکیدن باقی می‌ماند. این روش امکان استفاده از جوهر نانویی حاوی MXene را بدون نیاز به هیچگونه افزودنی فراهم کرد و چاپ میکروساختارهای با وضوح بالا را حتی با جوهرهایی با غلظت پایین، ممکن ساخت.
دکتر سئول سونگ‌کوان در این باره می‌گوید: ما شرایط بهینه‌ی غلظت جوهر MXene را مشخص کردیم و پارامترهای مختلفی را که ممکن است در طول فرآیند چاپ ایجاد شوند، به دقت تحلیل کردیم. این فناوری نخستین دستاورد در جهان است که امکان ساخت میکروساختارهای سه‌بعدی با استحکام بالا و دقت زیاد را بدون نیاز به افزودنی‌ها یا پردازش‌های تکمیلی فراهم می‌کند.
فرآیند چاپ سه‌بعدی با MXene
فرآیند چاپ سه‌بعدی با استفاده از روش Meniscus به این صورت است:
- جوهر حاوی MXene از طریق نازل تزریق می‌شود.
- نانومواد MXene از سطح منحنی (Meniscus) عبور می‌کنند که نقش یک کانال را ایفا می‌کند.
- با رسیدن جوهر به سطح، آب (حلال) به سرعت تبخیر می‌شود و نیروهای وان‌دروالس، نانوذرات را به هم متصل می‌کنند.
- با تکرار این فرآیند در حین حرکت نازل، یک میکروساختار سه‌بعدی رسانا شکل می‌گیرد.
دستاوردهای چشمگیر این فناوری
دانشمندان موفق شدند به وضوح چاپ ۱.۳ میکرومتر دست یابند که تقریباً ۱/۱۰۰ ضخامت یک تار موی انسان است. این میزان دقت، ۲۷۰ برابر بهتر از فناوری‌های موجود چاپ سه‌بعدی است. این دستاورد، امکان تولید ساختارهای فوق‌العاده کوچک و دقیق را فراهم می‌کند.
کاربردهای انقلابی در صنایع مختلف
کوچک‌سازی ساختارهای چاپ‌شده به روش سه‌بعدی می‌تواند تحولی عظیم در صنایع مختلف ایجاد کند. برخی از کاربردهای بالقوه این فناوری عبارتند از:
- باتری‌ها و ذخیره‌سازی انرژی: افزایش سطح تماس و تراکم، بهبود بازده انتقال یون‌ها و افزایش چگالی انرژی.
- محافظت الکترومغناطیسی: تقویت بازتاب‌های داخلی و اثرات جذب امواج برای محافظت بهتر در برابر تداخلات الکترومغناطیسی.
- حسگرها: افزایش دقت و کارایی حسگرها با استفاده از ساختارهای میکروسکوپی دقیق.
- الکترونیک انعطاف‌پذیر: تولید دستگاه‌های الکترونیکی فوق کوچک و انعطاف‌پذیر که محدود به ابعاد فیزیکی سنتی نیستند.
تجاری‌سازی فناوری
مؤسسه KERI برنامه‌ریزی کرده است تا با همکاری صنایع مختلف، این فناوری را تجاری‌سازی کند. این فناوری می‌تواند بازار تجهیزات الکترونیکی فوق کوچک و انعطاف‌پذیر را متحول کند، زیرا تقاضا برای چنین دستگاه‌هایی به سرعت در حال افزایش است.
جزئیات توسعه این فناوری، اخیراً در مجله علمی Small به چاپ رسیده است. این دستاورد نه تنها چالش‌های فنی استفاده از MXene در چاپ سه‌بعدی را برطرف کرده، بلکه راه را برای تولید ساختارهای میکروسکوپی دقیق و کارآمد در صنایع مختلف هموار می‌کند.
فناوری چاپ سه‌بعدی با وضوح بالا و استفاده از MXene، تحولی بزرگ در تولید میکروساختارهای دقیق و کارآمد ایجاد کرده است. این روش نه تنها چالش‌های فنی گذشته را برطرف می‌کند، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در صنایع الکترونیک، انرژی و حسگرها دارد. با تجاری‌سازی این فناوری، می‌توان به آینده‌ای روشن در تولید دستگاه‌های الکترونیکی پیشرفته و انعطاف‌پذیر امیدوار بود.
