NANOTEKNOLOJİDE 3D BASKININ AVANTAJLARI

Hem 3D baskı hem de nanoteknoloji genellikle yeni yapılar ve uygulama yöntemleri sağlamak için güçlerini birleştirir.

Basılı malzemelerin elektriksel iletkenlik ve algılama özellikleri gibi özelliklerini geliştirmek için nanomalzemeler kullanılırken, başka hiçbir yöntemle mümkün olmayan nanosize yapılar elde etmek için 3D baskı teknolojileri kullanılmaktadır. 1980’lere kadar, malzeme mühendisliğinin genel üretim yaklaşımı “yukarıdan aşağıya” tekniklere dayanıyordu.

Giriş

Yukarıdan aşağıya tekniqe tekniği, mermer kesimi gibi başlangıçtaki dökme malzemenin boyutunun küçültülmesiyle istenilen şeklin elde edilmesine dayanır. Bu, araçlar, aksesuarlar ve diğer 3B malzemeleri oluşturmak için iyi bilinen eski bir tekniktir. Bununla birlikte, bu tekniğin önemli bir dezavantajı, dökme malzemenin çoğu işe yaramaz şekillerde kesildiği için malzeme israfıdır. “Aşağıdan yukarıya” tekniği bu soruna harika bir çözüm sunar.

3D Baskının Cazibesi Nedir?

Bu teknik, malzemenin üst üste katmanlar eklenerek sıfırdan inşa edildiği yukarıdan aşağıya yaklaşımın tam tersidir. İstenilen yapı için sadece gerekli miktarda malzeme kullanır ve atıkları büyük ölçüde azaltır. 3D yazıcılar, erimiş malzemeyi katman katman bir alt tabakaya biriktiren aşağıdan yukarıya yaklaşıma dayalı olarak çalışır. Bu nedenle, 3D baskı, muhtemelen bu uygulama için çok daha uygun bir terim olan “eklemeli üretim” olarak da adlandırılır. Atık malzeme sorununa üstünlük sağlamanın yanı sıra 3D baskı, karmaşık yapıların hassas bir şekilde inşa edilmesini de mümkün kılıyor. 3D baskının bir diğer ilgi çekici özelliği de tasarım esnekliğidir. Tasarımcılar, geleneksel tekniklerin fiziksel zorluklarını yenen 3D yazıcıların kullanım kolaylığı sayesinde artık birçok ayrıntılı yapı oluşturma özgürlüğüne sahipler. 3D baskı yaygın olarak kullanılan polimer, plastik ve seramik malzemelerdir.

3D Baskıda Nanoteknolojinin Rolü

3D yazıcıların bu ilgi çekici özellikleri nanoteknolojinin de dikkatini çekmiştir. 3D baskı uygulamalarında nanoteknoloji, nano ölçekli yapılar üretmek veya nanomalzemeleri ana malzemeye dahil etmek için kullanılabilir.

Nano ölçekli nesneler oluşturan 3B yazıcılar temel olarak iki farklı teknolojiye dayanır

• Odaklanmış elektron ışını kaynaklı biriktirme (FEBID).
• İki fotonlu litografi (TPL)

Odaklanmış elektron ışını kaynaklı biriktirme (FEBID), karmaşık 3B nanoyapılar oluşturabilen doğrudan yazma yöntemidir. Bu yöntemde, bir gaz öncüsü substrat üzerine adsorbe edilir ve ardından elektron ışını üzerine odaklanarak ayrıştırılır. Bu, yalnızca bir atom kalınlığında katmanlarla katman katman yapımına izin verir.

İki fotonlu litografi (TPL), kızılötesi bölgede ışığa duyarlı malzemeler (fotorezist) ve oldukça lokalize femtosaniye lazer radyasyonu kullanır. Odak noktasındaki yüksek tepe yoğunluğu, iki fotonun aynı anda emilmesine izin verir. Bu etkileşim, fotorezistif malzemenin bir polimerizasyon veya depolimerizasyon reaksiyonunu indükler. İki fotonlu yaklaşım, 3D yapıların çözünürlüğünü diğer teknolojilerden daha küçük olan 150-50 nm’ye düşürdü. Direnç içindeki odak noktasını çevirerek hemen hemen her tür 3B yapı elde edilebilir. Bu yöntemde polimerler, uygun olmayan ortamlarda metalik bileşiklerin yanı sıra 3D nanoyapılar oluşturmak için kullanılabilir. İki fotonlu litografi, katman katman işleminin kısıtlamalarını ortadan kaldırır ve nesnelerin 3 boyutlu olarak gömülmesine ve bağlanmasına izin verir.

3B nanoyapılar oluşturmanın yanı sıra, 3B baskı, nanokompozitlerin hassas bir şekilde biriktirilmesinde nanoteknolojiyi kullanır. Nanokompozit malzemelerin uygulanması için kimyasal buhar biriktirme gibi geleneksel teknikler, malzeme israfı dezavantajına ve hassasiyet eksikliğine sahiptir. Geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında, nanomalzemelerin geleneksel konak matrislerine dahil edilmesi, nanokompozit üretimi için uygun maliyetli, çevresel ve esnek bir yöntemdir. Yaygın olarak kullanılan nanomalzemeler karbon nanotüpler, nanoteller vekuantum noktaları, ancak aslında bu teknik bu nanomalzemelerle sınırlı değildir. Bu nanomalzemeler genellikle polimerler, metaller ve seramikler gibi konakçı matrislere dahil edilir.

Mürekkep püskürtmeli baskı, 3D baskı uygulamaları için popüler bir işlemdir ve 3D yapılarda nanokompozit malzemelerin uygulamaları için sıklıkla kullanılır. Mürekkep püskürtmeli baskı, neredeyse hiç atık malzeme oluşturmayan basit bir işlemdir. Bu yöntem, küçük malzeme damlacıklarının belirli bir yerde ve istenen desende alt tabaka üzerine bırakıldığı talep üzerine damla şeklinde çalışır. Çökeltme üzerine, ana malzemeyi taşıyan çözücü, istenen yapıyı geride bırakarak buharlaşır. Bu çözücü geri dönüştürülebilir ve tekrar tekrar kullanılabilir, bu da mürekkep püskürtmeli yöntemi oldukça çevre dostu bir yöntem haline getirir.

3D Baskı ve Nanoteknolojinin Uygulama Alanları

3D baskı yöntemleri ve nanoteknolojinin bir kombinasyonu, çeşitli farklı uygulama alanları için heyecan verici fırsatlar ve büyümek için bolca alan sağlamıştır. En umut verici gelişmeler biyomedikal ve elektronik uygulamalarda meydana geldi.

3D baskı, biyoteknolojik uygulamalarda büyük ilgi görmüş, hatta kapsamlı çalışmalarıyla bioprinting adını almıştır. Bioprinting, özellikle doku mühendisliği uygulamaları çevresinde popüler bir konudur. Bioprinting’in ilk uygulamaları kemik dokusu mühendisliği etrafında inşa edildi. Doku mühendisliğinde hücre hatlarının veya insan kök hücrelerinin kültürü için biyouyumlu iskeleler elde etmek için 3D baskı teknolojileri kullanılabilir. Nanomalzemeler, mükemmel yapısal ve fonksiyonel özellikleri nedeniyle doku mühendisliği uygulamalarında da oldukça önem kazanmıştır. Nanomalzemelerin 3B biyo-baskılı iskelelere entegre edilmesi, gelişmiş iskele tasarımı özgüllüğü, artan hücre bağlanması, hücre-malzeme etkileşimleri ve doku gelişimi sağlar. Biyoaktif cam, hidroksiapatit ve kalsiyum fosfat gibi nanomalzemeler, hücre büyümesi için doğal mikro ortamın oluşturulmasını kolaylaştırır ve hücre canlılığını artırır. Ayrıca, 3D baskı teknolojisi, dokuların gereksinimlerine göre biyouyumlu iskelelerin gözenek boyutunun ve yoğunluğunun hassas bir şekilde ayarlanmasını sağlar.

3D baskılı nanomalzemelerin bir diğer önemli uygulama alanı ise elektrikli cihaz uygulamasıdır. 3D baskı matrislerine dahil edilen üstün elektriksel ve termal iletkenlikleri nedeniyle elektrik uygulamalarında son derece önemli olan metalik bileşikler. Bu malzemeler metalik mürekkepler olarak adlandırılır ve kapasitörlerde, gömülü kablolarda, diyotlarda, dirençlerde ve mikrodenetleyicilerde kullanılır. Bu tür malzemeler elektronik çiplerin, sensörlerin, aktüatörlerin, mikro elektro mekanik sistemlerin (MEMS) ve dönüştürücülerin yapı taşlarıdır. Örneğin, serigrafi yöntemlerinde kullanılan malzemelerin iletkenliğini artırmak için mürekkep püskürtmeli baskı teknolojisinde gümüş nanoparçacık mürekkepler kullanılmıştır. Ek olarak, karbon nanotüpler (CNT’LER) gibi karbon nanopartiküllerinin, yarı iletken özelliklerinden dolayı sensör uygulamalarında kesin miktarlarda bir substrat üzerine biriktirilmesi kullanılmıştır. Bu sensörler nem, NO 2 ve NH 3 sensörleri olarak kullanılabilir.

Son zamanlarda, bilim adamları 3D baskı kullanarak mikro ölçekli Li-ion piller elde ettiler. Bu yapının minimum özellik boyutunun mürekkep püskürtmeli 3D baskı kullanılarak 1µm kadar düşük olduğu bildirilmektedir. Mikro pilin katot ve anot malzemeleri için kullanılan bu kadar küçük boyutlu mürekkebi elde etmek için nanomühendislik yapılmıştır. Anot malzemesi olarak Li 4 Ti 5 O 12 (LTO) nanopartikülleri kullanılırken, katot malzemesi olarak LiFePO 4 (LFP) kullanıldı. Bu malzemelerin deiyonize suda dikkatli bir şekilde optimize edilmesi, 3D yazıcı nozulundan güvenilir akış ve yerleştirildiğinde anında katılaşma ile sonuçlanmıştır. Bu uygulama nanoteknoloji ve 3D baskıda dikkate değer bir başarıydı.

Benzer şekilde, piezoelektrik malzemelerin polimer matrislere dahil edilmesi, geleneksel piezoelektrik malzemelerin kırılgan yapısını iyileştirdi ve nano-mikro ölçekli piezoelektrik malzemelerin 3D baskısı için iyi adaylar sağladı. Basınç/çekme gerilmelerini elektrik yüküne veya tam tersine dönüştürme yetenekleriyle, piezoelektrik malzemeler tıbbi görüntüleme, telekomünikasyon, ultrasonik cihazlar ve elektrikli aktüatörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ayrıca, farklı optoelektronik uygulamalar için iki fotonlu litografi veya odaklanmış elektron ışını kaynaklı biriktirme yöntemleri ile inşa edilen nano ölçekte karmaşık yapılar önerilmiştir. Bu uygulamalar, mikro ölçekli dünyanın sınırlarını yıktıkları ve nano ölçekli dünyanın tuhaf fizik yasalarından yararlandıkları için özellikle veri aktarımı ve veri depolama uygulamaları için değerlidir. Örneğin, 3B basılı manyetik nanoyapılar, manyetik yarış pisti belleği gibi 3B veri depolama çözümleri için umut verici adaylar olarak kabul edilir. Bu çözümler, daha yüksek veri depolama yoğunluklarına yönelik artan talebi karşılamayı amaçlamaktadır.

Sonuç

3D baskı ve nanoteknolojinin ilgi çekici özellikleri ve yetenekleri, çeşitli farklı uygulamalar için birleştirilmiştir. 3B yazıcılar, karmaşık nanosize yapıların inşasını sağlarken, nanopartiküller, 3B basılı malzemelerin istenen özelliklerini geliştirmek için kullanılır. Nanokompozitlerin 3D baskısı için farklı teknikler kullanılmaktadır. Bu teknikler arasında inkjet en yaygın ve en basit seçenektir. Gümüş, karbon nanotüpler ve lityum bileşikleri gibi nanopartiküllerin polimer, seramik veya metalik matrislere dahil edilmesi, nanoteknolojinin 3D baskı uygulamalarında kullanılmasını kolaylaştırır. Bu tür nanokompozitler, devreler ve tarama uygulamaları, sensörler, piezoelektrik malzemeler gibi elektriksel olarak iletken sistemlerde ve mikro ölçekli lityum iyon piller gibi enerji depolama uygulamalarında kullanılır.

• Odaklanmış elektron ışını kaynaklı biriktirme (FEBID) ve iki fotonlu litografi (TPL) gibi nanosize yapıların 3D baskısı için yöntemler, nanosize yapıların yoğun detay ve hassasiyetle inşa edilmesini sağlamıştır. Bu yapılar, bu 3D baskı tekniklerinin hassasiyeti ve sadeliği ile nanosize maddenin benzersiz özelliklerinden yararlanabilir. Bu nanosize 3D yapılar, veri depolama ve diğer optoelektronik uygulamalarda büyük potansiyele sahiptir.
• Bu teknolojilerin her ikisinin de henüz emekleme aşamasında olduğu düşünüldüğünde, nanoteknolojinin 3D baskı uygulamalarında geliştirilecek çok şey ve keşfedilecek büyük bir potansiyel olduğunu söylemek güvenlidir.