圣母大學(xué)張艷良教授團(tuán)隊(duì)Nature：高通量組合3D打印方法

來(lái)源： 化學(xué)與材料科學(xué)

南極熊獲悉，美國(guó)圣母大學(xué)張艷良教授團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種突破性的3D打印方法。研究成果在Nature上發(fā)表，題為“High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols”。

張艷良教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種全新的高通量組合打印方法。這一技術(shù)利用單個(gè)打印噴頭原位混合多種氣溶膠納米材料墨水，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)墨水混合比例。如此一來(lái)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)打印材料3D結(jié)構(gòu)和局部成分的精確控制，還能以微米級(jí)分辨率制造出具有功能梯度的材料。基于氣溶膠的高通量組合打印技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是其通用性，能夠廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體、介電材料以及聚合物和生物材料的打印。這意味著，該技術(shù)可以在很多領(lǐng)域可以發(fā)揮巨大作用，加速能源，電子和生物醫(yī)學(xué)材料和器件的研究和開(kāi)發(fā)。

圖1： 高通量組合打印原理及其打印策略

張艷良教授團(tuán)隊(duì)成功應(yīng)用高通量組合打印在材料發(fā)現(xiàn)、功能分級(jí)材料以及化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域取得了突破。他表示：“我們希望通過(guò)這種方法將新材料的發(fā)現(xiàn)時(shí)間從10-20年縮短到不到一年，甚至更短。”

高通量組合打印制造的組合材料可被視為一個(gè)包含數(shù)千種獨(dú)特成分的材料庫(kù)。通過(guò)高通量測(cè)量這些材料的局部特性，研究人員能夠迅速找到具有獨(dú)特性能的最佳材料成分。張教授團(tuán)隊(duì)成功的發(fā)現(xiàn)了一種具有卓越熱電性能的半導(dǎo)體材料，該材料在能源收集和固態(tài)制冷領(lǐng)域具有巨大前景。

圖2： 高通量組合打印廣泛適用于多種材料的組合打印

除了加速材料發(fā)現(xiàn)，高通量組合打印方法還在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。張教授表示：“我們展示了一種具有梯度模量的功能分級(jí)材料，該材料從硬到軟過(guò)渡，有助于解決軟組織和硬生物醫(yī)學(xué)器件之間的機(jī)械性能不匹配問(wèn)題。”

圖3： 高通量組合打印能夠?qū)崿F(xiàn)組合摻雜和材料開(kāi)發(fā)，功能梯度材料，組合化學(xué)反應(yīng)及組分微觀構(gòu)造。

未來(lái)的研究將進(jìn)一步發(fā)掘高通量組合打印技術(shù)的制造自由度和快速產(chǎn)生大量材料數(shù)據(jù)的特性，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能引導(dǎo)的設(shè)計(jì)策略，以加速發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)各種具有前所未有性能的新材料。

總的來(lái)說(shuō)，張艷良教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)高通量組合打印方法，為解決能源和環(huán)境可持續(xù)性挑戰(zhàn)以及推動(dòng)電子和生物醫(yī)學(xué)器件的進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。通過(guò)這一技術(shù)，有望大幅縮短新材料的發(fā)現(xiàn)時(shí)間，加速科技進(jìn)步，造福人類(lèi)社會(huì)。

作者簡(jiǎn)介
張艷良博士是美國(guó)圣母大學(xué)航空與機(jī)械工程系的副教授。他于2011年從倫斯勒理工學(xué)院獲得機(jī)械工程博士學(xué)位。他的研究領(lǐng)域包括增材制造、納米材料、熱電轉(zhuǎn)換和能量存儲(chǔ)、傳感和健康監(jiān)測(cè)的先進(jìn)材料和器件。他曾獲得美國(guó)NSF Career Award、國(guó)際熱電學(xué)會(huì)Young Investigator Award、和多個(gè)國(guó)際會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)等榮譽(yù)。他的文章發(fā)在多個(gè)國(guó)際頂級(jí)期刊，包含Nature, Nature Materials, Energy and Environmental Science, Chemical Society Review, Advanced Materials, etc.

原文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9