Elektrisch leitfähige Materialien werden in zahlreichen Anwendungen der Mikroelektronik, der Nanorobotik, Sensorik oder Batterietechnik benötigt. Eine ideale Lösung wären hierfür Metalle, doch während der 3D-Druck von Kunststoffen bereits in den Nanometerbereich vorgestoßen ist, gestaltet sich die Fertigung winziger Metallteile bislang schwierig.
Forscher an der Universität Oldenburg experimentieren nun mit einer Technik, bei der sie mit Hilfe sehr kleiner Düsen winzige, dreidimensionale Strukturen aus Metall drucken.
„Wir versuchen, die technologischen Grenzen des 3D-Drucks auszureizen. Wir wollen Objekte Atom für Atom zusammensetzen“, erklärt Dr. Dmitry Momotenko, Leiter der Arbeitsgruppe am Institut für Chemie der Universität Oldenburg.
3D-Drucker auf Grundlage des Galvanikprozesses
Die Forscher bauten und programmierten hierfür die ihren eigenen 3D-Drucker auf der Grundlage des Galvanikprozesses. Die elektrochemische Abscheidung metallischer Niederschläge können Elektrochemiker sehr gut kontrollieren, erklärt Momotenko. Metallionen werden dabei in einer Salzlösung mit einer negativ geladenen Elektrode in Kontakt gebracht. Dort verbinden sich die positiv geladenen Teilchen mit Elektronen zu neutralen Metallatomen und setzen sich als feste Schicht auf der Elektrode ab. Es ist dasselbe Verfahren, das beispielsweise beim Verchromen von Autoteilen zur Anwendung kommt.
Derzeit können die Forscher Säulen, aber auch Spiralen, Ringe oder überhängende Gebilde im Nanobereich drucken. Ihr Verfahren funktioniert mit Kupfer, Silber, Nickel sowie Nickel-Mangan- und Nickel-Kobalt-Legierungen. Ziel ist es jedoch, neuartige Batterien zu entwickeln, deren Anode und Kathode auf Nanoebene miteinander verschränkt sind. Diese ließen sich dann tausendmal so schnell laden wie aktuelle Modell – das Laden eines E-Autos würde innerhalb von Sekunden bewerkstelligt.
Europäische Unterstützung
Bereits 2021 ist es Momotenko zusammen mit einem internationalen Team gelungen, Kupfersäulen mit einem Durchmesser von 25 Nanometern herzustellen, wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) unterstützt. Im Februar 2021 erhielt er einen sogenannten „Starting Grant“ für sein Projekt NANO-3D-LION, in dem er die Forschung an neuen Elektroden in Oldenburg vorantreibt.
Seine vierköpfige Arbeitsgruppe steht vor großen Herausforderungen. Zum einen müssen sie herausfinden, wie winzige Verunreinigungen in der Schutzatmosphäre, die während des Druckprozesses entstehen, die gedruckten Strukturen beeinflussen. Zum anderen müssen sie Wege finden, die Wärme abzuleiten, die beim Aufladen von Batterien in Sekunden erzeugt wird, und die Drucktechnologie für große Batterien nutzbar zu machen. Das Problem der Energiespeicherung sei sehr komplex, und natürlich könne sein Team nur einen kleinen Teil dazu beitragen, betont der Forscher. Doch er sieht sich und seine Gruppe in einer guten Ausgangsposition: Der elektrochemische 3D-Druck von Metallen biete derzeit die einzige Möglichkeit, um nanostrukturierte Elektroden realisieren und das Konzept testen zu können.
