Eine neue Studie im Journal "Matter" beschreibt die Entwicklung eines Metallgels durch ein Forschungsteam unter Beteiligung der North Carolina State University, mit dem sich bei Raumtemperatur dreidimensionale Festkörper drucken lassen. Das Gel weist eine hohe Leitfähigkeit auf und eröffnet neue Möglichkeiten für den 3D-Druck von wärmeempfindlichen elektronischen Bauteilen und Geräten.

Die Entwicklung des Metallgels begann mit einer Lösung von mikrometergroßen Kupferpartikeln in Wasser. Die Wissenschaftler gaben eine kleine Menge Gallium-Indium-Legierung (EGaIn) und Salzsäure hinzu. Die Salzsäure stellte den pH-Wert des Wassers auf 1,0 ein und entfernte die Oxide von EGaIn, wodurch es vorübergehend in flüssiges Metall umgewandelt wurde. Anschließend wurde die Kupferpartikellösung mit der flüssigen EGaIn-Mischung verrührt, so dass sich die EGaIn-Partikel an den festeren Kupferpartikeln anlagerten und in der wässrigen Lösung ein "Netzwerk" aus mit EGaIn verbundenen Kupferpartikeln bildete. Durch Zugabe von Methylcellulose wurde die Mischung expandiert.

Das resultierende Gel kann bei Raumtemperatur aus der Düse eines herkömmlichen 3D-Druckers extrudiert und schichtweise aufgebaut werden. Beim Trocknen des fertigen Produkts bei gleicher Temperatur verdampfen Wasser und Salzsäure. Das Ergebnis ist ein steifer, hochleitfähiger dreidimensionaler Körper mit einem Metallgehalt von bis zu 97,5 %.

Laut den Forschern beeinflusst die Anordnung der Partikel im Gel die Trocknungsweise des Materials. Beispielsweise schrumpft ein gedruckter zylindrischer Körper beim Trocknen an den Seiten stärker als an der Ober- und Unterseite. Bei Raumtemperatur trocknet der Prozess langsamer ab und beeinflusst die Struktur nicht. Eine schnellere Trocknung unter einer 80 °C heißen Lampe kann jedoch zu Strukturverformungen führen.

„Da diese Verformungen vorhersehbar sind, können wir durch Steuerung des Musters des Druckobjekts und der beim Trocknen zugeführten Wärme die Form des gedruckten Objekts verändern“, erklärt Michael Dickey, Professor für Chemie und biomolekulare Technik an der North Carolina State University. „Der 3D-Druck wird die Fertigung revolutionieren, und dieses Metallgel wird die Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen und Geräten ermöglichen.“