《Nature》：圣母大學推出高通量組合3D打印新工藝,，縮短新材料研發(fā)進程

2023年5月17日，南極熊獲悉，據(jù)Karla Cruise發(fā)表的一篇文章稱，來自美國印第安納州圣母大學航空航天與機械工程副教授Yanliang Zhang開發(fā)了一種新穎的3D打印方法，該方法通過在單個打印噴嘴中混合多種霧化納米材料墨水完成打印,，能夠以傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的方式生產(chǎn)材料。

這項研究以題為“High-throughput printing ofcombinatorial materials from aerosols”被發(fā)表在《Nature》雜志上,。

相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

Yanliang Zhang說：“發(fā)現(xiàn)一種新材料通常需要10到20年的時間,。我認為,，如果我們能將這段時間縮短到不到一年，甚至幾個月,，這將改變新材料發(fā)現(xiàn)和制造業(yè)的游戲規(guī)則,。”

這種新的3D打印工藝被稱為高通量組合打印 (HTCP),，它是通過在單個打印噴嘴中混合多種霧化納米材料墨水完成打印,，并且在打印過程中可改變墨水混合比例。HTCP方法可控制打印材料的3D結構和局部成分,，并以微尺度空間分辨率生產(chǎn)具有梯度成分和特性的材料,。

△HTCP的設計策略。a – 基于原位氣溶膠混合的組合打印方法示意圖,。b – 正交和平行漸變打印設計策略,，以及使用藍色墨水（食用染料藍色 1）和紅色墨水（羅丹明 B）相應的打印漸變圖案，展示了成分調制特征,。c – 顯示氣溶膠墨水流速對沉積材料影響的光學顯微鏡圖像,。比例尺100 µm。d – 打印材料厚度與各種油墨（聚苯乙烯,、AgNW,、石墨烯和 Bi2Te3）的流速。誤差條代表來自四個實驗重復的,。標準：立方厘米每分鐘,。資料來源：Nature617, 292–298 (2023)

具有梯度成分的組合材料的快速打印。 a, 快速相機圖像顯示光致發(fā)光油墨（藍色）在可見光和 365nm 波長的紫外光下的氣溶膠沉積過程,。比例尺,，2.5mm。 b,，HTCP 過程的典型梯度曲線。SEM 圖像顯示 Ag/Bi2Te3 復合材料的形態(tài)隨著 Ag 墨水流量的增加和 Bi2Te3 墨水流量的減少而發(fā)生變化,。制造過程大約需要 1分鐘,。比例尺，1µm,。 c,，使用 SEM（頂部）和 EDS（底部）對Ag/Bi2Te3 復合材料進行成分表征。比例尺,，100µm,。d，Ag/Bi2Te3 復合材料在梯度方向上的元素分布,。誤差條代表 s.d.來自三個梯度樣本,。e, Ag/Bi2Te3 復合材料的 TEM 顯示了 Ag 納米粒子和Bi2Te3 納米板之間的界面,。比例尺，2 nm,。

△HTCP具有廣泛的材料選擇,。 a，涵蓋廣泛元素的各種打印組合系統(tǒng)的元素映射,。比例尺,，300µm。 b,，使用0D,、1D和2D納米粒子直接打印的各種組合材料的SEM圖像。比例尺,，1μm,。 c，聚合物的組合打印,。拉曼光譜證實了組合 PEDOT:PSS/殼聚糖（頂部）和 CNC/PEDOT:PSS（底部）的成分轉變,。 a.u.，任意單位

△HTCP可實現(xiàn)組合摻雜,、功能分級,、化學反應和成分微觀結構。a,，組合摻雜示意圖,。 b，具有梯度硫摻雜濃度的 Bi2Te2.7Se0.3 薄膜和由此產(chǎn)生的局部塞貝克系數(shù)變化,。誤差條代表 s.d.來自塞貝克系數(shù)的兩個實驗復制和硫摻雜濃度的六個實驗復制,。 c，在過去十年中,，我們采用優(yōu)化摻雜（紅色）打印的 Bi2Te2.7Se0.3 與其他打印 n 型材料之間的室溫功率因數(shù)比較26-32,，其中我們未摻雜的 Bi2Te2.7Se0.3 為橙色以供參考。 d,，功能梯度材料的組合打印示意圖,。 e，顯示用兩種染料著色的兩種 PUD 油墨打印的漸變聚氨酯薄膜的紅色和綠色光強度的熒光圖像,，插圖顯示光致發(fā)光圖像,。比例尺，1 mm,。 f,，局部楊氏模量與樣品位置的關系，空間分辨率約為 27µm,。 g,，組合化學反應示意圖,。h，GO/rGO梯度膜的光學顯微圖像,。比例尺,，0.5mm。 i,，拉曼分析顯示不同樣品位置的 D:G 波段比,，插圖顯示過夜反應后梯度膜的光學圖像。比例尺,，1 mm,。誤差條代表 s.d.來自三個實驗重復。 j,，左,，組合微結構示意圖。右圖,，沿厚度方向具有亞微米分辨率周期性結構的 Ag/MoS2 示例（假色 SEM,，紅色顯示 Mo，藍色顯示 Ag,；比例尺,，300nm）和打印的 3D 鹽晶體陣列（比例尺，300μm）).

基于氣溶膠墨水的 HTCP 方法用途極為廣泛,，適用于范圍廣泛的金屬,、半導體和電介質，以及聚合物和生物材料,。它可用于生成復合材料,，相當于構建起“材料庫”——每個包含數(shù)千種獨特的成分。

據(jù) Yanliang Zhang 介紹,，將組合材料打印和高通量表征相結合可以顯著加快材料開發(fā),。來自圣母大學的團隊已經(jīng)使用這種方法來甄別具有卓越熱電性能的半導體材料，這對于能量收集和冷卻應用領域是一個有前途的發(fā)現(xiàn),。

除了加快材料開發(fā)進程之外,，HTCP還可用于生產(chǎn)功能分級材料，這些材料會逐漸從硬質過渡到軟質,，這也使得該技術在可穿戴和可植入物方面展現(xiàn)出巨大的應用潛力。在下一階段的研究中,，Yanliang Zhang 和他先進制造與能源實驗室的學生計劃將機器學習和人工智能指導策略與 HTCP 有機結合,，以加速發(fā)現(xiàn)和開發(fā)范圍廣泛的材料。

最終,，Yanliang Zhang表示：“未來,，我希望為材料發(fā)現(xiàn)和設備制造開發(fā)一個自主和自動開發(fā)的過程,，這樣實驗室的學生就可以自由地專注于更高層次的思考�,！�