圣母大學張艷良教授團隊Nature：高通量組合3D打印方法

來源： 化學與材料科學

南極熊獲悉，美國圣母大學張艷良教授團隊成功開發(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”。

張艷良教授團隊開發(fā)了一種全新的高通量組合打印方法。這一技術(shù)利用單個打印噴頭原位混合多種氣溶膠納米材料墨水，并實時調(diào)節(jié)墨水混合比例。如此一來，不僅實現(xiàn)了對打印材料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)勢是其通用性，能夠廣泛應(yīng)用于金屬、半導體、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)學材料和器件的研究和開發(fā)。

圖1： 高通量組合打印原理及其打印策略

張艷良教授團隊成功應(yīng)用高通量組合打印在材料發(fā)現(xiàn)、功能分級材料以及化學反應(yīng)等領(lǐng)域取得了突破。他表示：“我們希望通過這種方法將新材料的發(fā)現(xiàn)時間從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包含數(shù)千種獨特成分的材料庫。通過高通量測量這些材料的局部特性，研究人員能夠迅速找到具有獨特性能的最佳材料成分。張教授團隊成功的發(fā)現(xiàn)了一種具有卓越熱電性能的半導體材料，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材料，該材料從硬到軟過渡，有助于解決軟組織和硬生物醫(yī)學器件之間的機械性能不匹配問題�！�

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

未來的研究將進一步發(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)合機器學習和人工智能引導的設(shè)計策略，以加速發(fā)現(xiàn)和開發(fā)各種具有前所未有性能的新材料。

總的來說，張艷良教授團隊通過開發(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)以及推動電子和生物醫(yī)學器件的進步做出了重要貢獻。通過這一技術(shù)，有望大幅縮短新材料的發(fā)現(xiàn)時間，加速科技進步，造福人類社會。

作者簡介
張艷良博士是美國圣母大學航空與機械工程系的副教授。他于2011年從倫斯勒理工學院獲得機械工程博士學位。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、傳感和健康監(jiān)測的先進材料和器件。他曾獲得美國NSF Career Award、國際熱電學會Young Investigator Award、和多個國際會議最佳論文獎等榮譽。他的文章發(fā)在多個國際頂級期刊，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