Nature：革新科技：高通量氣溶膠組合材料打印的未來

一、 【導讀】

在科技創新中，材料的開發起著關鍵作用。組合材料的沉積，如共濺射，使我們能夠快速篩選用于電子、磁性、光學和能源應用的新材料。然而，盡管增材制造和各種打印技術（如噴墨打印、電化學打印和電流動氧化還原打印）為制造復雜結構的材料和材料庫提供了新的可能，但由于缺乏快速混合機制和變化混合比例的能力，這些方法在材料選項和不同材料的組合上仍然受到限制。此外，雖然傳統的組合沉積方法可以生成材料庫，但這些方法無法充分利用納米材料合成的突破，且材料的發現和優化過程仍然很慢。我們需要尋找新的方法來加速這個過程，并突破現有的限制。

二、【成果掠影】

近日，美國印第安納州圣母大學的張艷良教授報告一種高通量組合打印方法，能夠以微米級空間分辨率制造具有組成梯度的材料。在氣溶膠相中進行原位混合和打印，可以即時調整各種材料的混合比例，這是使用液-液或固-固相饋料的傳統多材料打印無法獲得的重要特性。同時展示了各種高通量打印策略以及在組合摻雜、功能梯度和化學反應中的應用，使得探索摻雜硫屬元素和具有梯度屬性的組成梯度材料成為可能。結合增材制造的自上而下的設計自由度和對局部材料組成的自下而上的控制能力，有望開發出通過傳統制造方法無法獲得的組成復雜的材料。相關成果以“High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

這項創新報告了一種高通量組合打印方法，它能實現原位混合和打印，以微米級空間分辨率快速調整各種材料的混合比例，從而制造出具有組成梯度的材料。

四、【數據概覽】

圖1 高通量組合打印（HTCP）的設計策略。 ? 2023 Springer Nature

圖2 快速打印具有梯度組成的組合材料。 ? 2023 Springer Nature

圖3 具有廣泛材料選擇的HTCP。 ? 2023 Springer Nature

圖4 HTCP實現了組合摻雜、功能梯度、化學反應和組成微結構化。 ? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

總之， HTCP方法利用快速的氣溶膠基混合和混合比例的調節，實現了具有梯度組成的多功能材料庫的高通量制造。這種原位混合和打印方法可能激發多個潛在的研究方向。首先，HTCP可以制造金屬、氮化物、碳化物、硫屬元素、鹵化物甚至看似不兼容的材料的梯度膜，從而使得材料選擇大大擴展，實現了組合材料的篩選和優化。其次，HTCP可以產生具有獨特的組成/結構排列和超越其均勻組成的組成材料的優越性能的功能梯度材料。此外，反應性材料的組合打印為化學/材料合成的高通量探索、實驗和表征提供了新的可能性。下一階段的研究將側重于利用HTCP的制造自由度和豐富的數據性質，以及機器學習和人工智能引導的設計策略，這有望加速發現和開發一系列具有引人入勝和前所未有的性質的材料，以用于新興的應用。

原文詳情：Zeng, M., Du, Y., Jiang, Q. et al. High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols. Nature 617, 292–298 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05898-9
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