Agora, a equipe reinventou a técnica para permitir a impressão de objetos mil vezes menores: 150 nanômetros, o que é comparável ao tamanho de um vírus de gripe. Ao fazer isso, a equipe também descobriu que os arranjos atômicos dentro desses objetos estão desordenados, o que tornaria esses materiais inutilizáveis em grande escala, pois seriam considerados fracos e de “baixa qualidade”. No caso de objetos metálicos nanométricos, no entanto, esta confusão a nível atómico tem o efeito oposto: estas peças podem ser três a cinco vezes mais fortes do que estruturas de tamanho semelhante com arranjos atómicos mais ordenados.

O trabalho foi conduzido no laboratório de Julia R. Greer, Professora Ruben F. e Donna Mettler de Ciência de Materiais, Mecânica e Engenharia Médica; e Diretor da Fundação Fletcher Jones do Kavli Nanoscience Institute. É descrito em um artigo publicado na revista Nano Letters.

A nova técnica é semelhante a outra anunciada pela equipe no ano passado , mas com cada etapa do processo reimaginada para funcionar em nanoescala. No entanto, isto apresenta um desafio adicional: os objetos fabricados não são visíveis a olho nu nem facilmente manipuláveis.

O processo começa com a preparação de um “coquetel” fotossensível composto em grande parte por um hidrogel, uma espécie de polímero que pode absorver muitas vezes seu próprio peso em água. Este coquetel é então endurecido seletivamente com um laser para construir uma estrutura 3-D no mesmo formato dos objetos metálicos desejados. Nesta pesquisa, esses objetos eram uma série de pequenos pilares e nanoredes.

As partes de hidrogel são então infundidas com uma solução aquosa contendo íons de níquel. Uma vez saturadas com íons metálicos, as peças são cozidas até que todo o hidrogel seja queimado, deixando as peças com o mesmo formato do original, embora encolhidas, e consistindo inteiramente de íons metálicos que agora estão oxidados (ligados a átomos de oxigênio). Na etapa final, os átomos de oxigênio são quimicamente removidos das peças, convertendo o óxido metálico novamente em uma forma metálica.

Na última etapa, as peças desenvolvem sua resistência inesperada.

“Todos esses processos térmicos e cinéticos ocorrem simultaneamente durante esse processo e levam a uma microestrutura muito, muito confusa”, diz ela. "Você vê defeitos como poros e irregularidades na estrutura atômica, que normalmente são considerados defeitos que deterioram a resistência. Se você construísse algo em aço, digamos, um bloco de motor, não gostaria de ver esse tipo de microestrutura porque enfraqueceria significativamente o material."

No entanto, Greer diz que descobriram exatamente o oposto. Os muitos defeitos que enfraqueceriam uma peça metálica em maior escala fortaleceriam as peças em nanoescala.

Quando um pilar está livre de defeitos, a falha ocorre catastroficamente ao longo do que é conhecido como limite de grão – o local onde os cristais microscópicos que compõem o material se chocam.

Mas quando o material está cheio de defeitos, uma falha não pode se propagar facilmente de um contorno de grão para o próximo. Isso significa que o material não irá falhar repentinamente porque a deformação será distribuída de maneira mais uniforme por todo o material.

"Normalmente, o portador de deformação em nanopilares metálicos - isto é, um deslocamento ou deslizamento - se propaga até poder escapar pela superfície externa", diz Wenxin Zhang, autor principal do trabalho e estudante de pós-graduação em engenharia mecânica. "Mas na presença de poros internos, a propagação terminará rapidamente na superfície de um poro, em vez de continuar por todo o pilar. Como regra geral, é mais difícil nuclear um portador de deformação do que deixá-lo se propagar, explicando por que os pilares atuais podem ser mais fortes do que os seus homólogos."

Greer acredita que esta é uma das primeiras demonstrações de impressão 3D de estruturas metálicas em nanoescala. Ela observa que o processo poderia ser usado para criar muitos componentes úteis, como catalisadores para hidrogênio; eletrodos de armazenamento para amônia e outros produtos químicos isentos de carbono; e partes essenciais de dispositivos como sensores, microrobôs e trocadores de calor.

“Estávamos originalmente preocupados”, diz ela. "Pensamos: 'Nossa, essa microestrutura nunca vai levar a nada de bom', mas, aparentemente, não tínhamos motivo para nos preocupar porque descobrimos que não é nem mesmo um prejuízo. Na verdade, é um recurso."

O artigo que descreve o trabalho, " Efeito de tamanho suprimido em nanopilares com microestruturas hierárquicas habilitadas pela fabricação aditiva em nanoescala ", aparece na edição de agosto da Nano Letters . Os coautores são Wenxin Zhang (MS '22); Thomas T. Tran (MS '22), estudante de pós-graduação em ciência de materiais; Rebecca A. Gallivan (MS '22, PhD '23), anteriormente na Caltech e agora na ETH Zürich; Zhi Li, do Instituto de Computação de Alto Desempenho de Cingapura; e Ruoqi Dang e Huajian Gao da Universidade Tecnológica de Nanyang e do Instituto de Computação de Alto Desempenho de Cingapura.