📅 Data publikacji: 22.07.2025
W 2025 roku, w laboratorium NanoForge Uniwersytetu Warszawskiego, dr inż. Marta Piotrowska i jej interdyscyplinarny zespół połączyli techniki druku 3D z zaawansowaną litografią dwufotonową, by zacząć „rysować” mikrostruktury o wielkości pojedynczych nanometrów. Tradycyjne metody nanoarchitektury — takie jak osadzanie warstw atom po atomie czy samonakręcające się szkielety — były niezwykle czasochłonne i drogie. Dzięki hybrydowemu podejściu, które wykorzystuje selektywne topnienie proszków metalicznych i żywic fotoczułych, zespół NanoForge mógł projektować skomplikowane geometrie kratownic, piksel po pikselu, osiągając rozdzielczość poniżej 100 nm. 🔍
Pierwszym celem było stworzenie materiału o ekstremalnie wysokiej wytrzymałości na rozciąganie oraz niskiej gęstości, idealnego do lekkich paneli ochronnych w przemyśle kosmicznym. Zastosowano stop tytanu Ti-6Al-4V w formie bardzo drobnego proszku (średnica ziarna ~5 µm) oraz żywicę epoksydową wzbogaconą nanocząstkami krzemu, które zwiększały twardość. Druk 3D odbywał się w dwóch fazach: najpierw utwardzano żywicę laserem femtosekundowym, budując wzory kratownic o ścianach grubości ~200 nm, następnie wypełniano pory metalicznym proszkiem i podgrzewano całość w temperaturze 650 °C, by spiekać stop. 🔥
Modele testowe, o wymiarach 1×1×0,5 mm, zawierały zoptymalizowaną topologię bazującą na strukturach Schwarz–Diamond i Kelvin Foam. Analiza SEM (skaningowego mikroskopu elektronowego) potwierdziła jednolitą morfologię ścian oraz nieobecność mikropęknięć. W wyniku testów mechanicznych nanoindentacja wykazała twardość 9 GPa oraz moduł Younga przekraczający 200 GPa, co sprawiało, że materiał przewyższał własnościami żelazo węglowe przy 1/10 gęstości. 🚀
Po wstępnych sukcesach NanoForge rozpoczął współpracę z ESA (Europejską Agencją Kosmiczną). W 2026 zespół dostarczył pierwsze mikrostrukturalne panele radiacyjne, które miały chronić czujniki sondy kosmicznej przed promieniowaniem gamma. Dzięki strukturze o gradientowej gęstości pochłaniały one do 95 % fotonów o energii do 1 MeV, jednocześnie zachowując niską masę — zaledwie 0,8 g/cm³. Panele zamontowano na sondzie „Helios Explorer”, a testy w kosmicznym środowisku potwierdziły trwałość materiału i stabilność mikrostruktury po 6 miesiącach na orbicie. 🛰️
W przemyśle motoryzacyjnym inny podprojekt NanoForge opracował mikrostrukturalne tłumiki drgań. Filtry rezonansowe, zbudowane z rombowych komór o rozmiarach ~500 nm, pochłaniały wibracje w zakresie 200–800 Hz — idealne dla silników elektrycznych. W modelach EV testowanych pod kątem komfortu akustycznego udało się zredukować hałas o 12 dB przy prędkości obrotowej 3000 rpm. Inżynierowie podkreślali możliwość dostosowania pasm tłumienia poprzez zmianę topologii kratownicy. 🚗🔇
Laboratorium biotechnologiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego wykorzystało mikrostrukturalne rusztowania do hodowli tkanek kostnych in vitro. Szablony o porach ~200–500 nm wspierały wzrost osteoblastów, a powłoka hydroksyapatytowa nanoszona na struktury zwiększała proliferację komórek o 40% w porównaniu z tradycyjnymi polimerowymi scaffoldami. To odkrycie otworzyło nowe ścieżki dla badań nad implantami kostnymi z drukowanych mikrostruktur. 🦴
Jednym z głównych wyzwań pozostaje skalowalność — drukowanie dużych powierzchni mikrostruktur w rozsądnym czasie. Dr Piotrowska pracuje nad równoległą architekturą laserową z zespołem PhotonFlow, która umożliwiłaby jednoczesne utwardzanie wielu punktów za pomocą modulowanych wiązek świetlnych. To pozwoli zwiększyć wydajność procesu 10–20-krotnie. 💡
Kolejnym krokiem będzie integracja czujników 2D-3D w samej mikrostrukturze: drukowane przewodzące ścieżki nanometrowe umożliwią monitorowanie naprężeń czy temperatury bezpośrednio w materiale. Takie „inteligentne” nanoarchitektury znajdą zastosowanie w druku komponentów lotniczych, budownictwie ekstremalnym czy urządzeniach medycznych do wewnątrzustrojowego monitoringu. 🤖
Pamiętając o zrównoważonym rozwoju, NanoForge eksploruje bio-nanoarchitekturę — wykorzystanie biopolimerów i nanocelulozy do drukowania biodegradowalnych mikrostruktur, które mogłyby rozkładać się w środowisku po zakończeniu żywotności produktu. To otworzy nowe perspektywy dla zielonej nanotechnologii i zamkniętych obiegów materiałowych. 🌿🔄
Jak podsumowuje dr Piotrowska:
„Drukowanie mikrostruktur to klucz do nowej ery materiałów — tam, gdzie geometria na poziomie nano definiuje funkcję. Przyszłość to nie tylko materiały, to mikroświaty, które sami projektujemy.”✨