《Nature》：圣母大學(xué)推出高通量組合3D打印新工藝，縮短新材料研發(fā)進(jìn)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(chēng)，來(lái)自美國(guó)印第安納州圣母大學(xué)航空航天與機(jī)械工程副教授Yanliang Zhang開(kāi)發(fā)了一種新穎的3D打印方法，該方法通過(guò)在單個(gè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式生產(chǎn)材料。

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

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

Yanliang Zhang說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)一種新材料通常需要10到20年的時(shí)間。我認(rèn)為，如果我們能將這段時(shí)間縮短到不到一年，甚至幾個(gè)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(chēng)為高通量組合打印 (HTCP)，它是通過(guò)在單個(gè)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(guò)程中可改變墨水混合比例。HTCP方法可控制打印材料的3D結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)策略，以及使用藍(lán)色墨水（食用染料藍(lán)色 1）和紅色墨水（羅丹明 B）相應(yīng)的打印漸變圖案，展示了成分調(diào)制特征。c – 顯示氣溶膠墨水流速對(duì)沉積材料影響的光學(xué)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(lái)自四個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)的。標(biāo)準(zhǔn)：立方厘米每分鐘。資料來(lái)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(jī)圖像顯示光致發(fā)光油墨（藍(lán)色）在可見(jiàn)光和 365nm 波長(zhǎng)的紫外光下的氣溶膠沉積過(guò)程。比例尺，2.5mm。 b，HTCP 過(guò)程的典型梯度曲線。SEM 圖像顯示 Ag/Bi2Te3 復(fù)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(guò)程大約需要 1分鐘。比例尺，1µm。 c，使用 SEM（頂部）和 EDS（底部）對(duì)Ag/Bi2Te3 復(fù)合材料進(jìn)行成分表征。比例尺，100µm。d，Ag/Bi2Te3 復(fù)合材料在梯度方向上的元素分布。誤差條代表 s.d.來(lái)自三個(gè)梯度樣本。e, Ag/Bi2Te3 復(fù)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(shí)了組合 PEDOT:PSS/殼聚糖（頂部）和 CNC/PEDOT:PSS（底部）的成分轉(zhuǎn)變。 a.u.，任意單位

△HTCP可實(shí)現(xiàn)組合摻雜、功能分級(jí)、化學(xué)反應(yīng)和成分微觀結(jié)構(gòu)。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(lái)自塞貝克系數(shù)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)復(fù)制和硫摻雜濃度的六個(gè)實(shí)驗(yàn)復(fù)制。 c，在過(guò)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(qiáng)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(guān)系，空間分辨率約為 27µm。 g，組合化學(xué)反應(yīng)示意圖。h，GO/rGO梯度膜的光學(xué)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(guò)夜反應(yīng)后梯度膜的光學(xué)圖像。比例尺，1 mm。誤差條代表 s.d.來(lái)自三個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)。 j，左，組合微結(jié)構(gòu)示意圖。右圖，沿厚度方向具有亞微米分辨率周期性結(jié)構(gòu)的 Ag/MoS2 示例（假色 SEM，紅色顯示 Mo，藍(lán)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(dǎo)體和電介質(zhì)，以及聚合物和生物材料。它可用于生成復(fù)合材料，相當(dāng)于構(gòu)建起“材料庫(kù)”——每個(gè)包含數(shù)千種獨(dú)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(jié)合可以顯著加快材料開(kāi)發(fā)。來(lái)自圣母大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用這種方法來(lái)甄別具有卓越熱電性能的半導(dǎo)體材料，這對(duì)于能量收集和冷卻應(yīng)用領(lǐng)域是一個(gè)有前途的發(fā)現(xiàn)。

除了加快材料開(kāi)發(fā)進(jìn)程之外，HTCP還可用于生產(chǎn)功能分級(jí)材料，這些材料會(huì)逐漸從硬質(zhì)過(guò)渡到軟質(zhì)，這也使得該技術(shù)在可穿戴和可植入物方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在下一階段的研究中，Yanliang Zhang 和他先進(jìn)制造與能源實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生計(jì)劃將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能指導(dǎo)策略與 HTCP 有機(jī)結(jié)合，以加速發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)范圍廣泛的材料。

最終，Yanliang Zhang表示：“未來(lái)，我希望為材料發(fā)現(xiàn)和設(shè)備制造開(kāi)發(fā)一個(gè)自主和自動(dòng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程，這樣實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生就可以自由地專(zhuān)注于更高層次的思考�！�