Yanliang Zhang, außerordentlicher Professor an der University of Notre Dame, hat ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt, das sich als revolutionär im Bereich der Materialentdeckung und -herstellung erweisen könnte. Das von dem Professor entwickelte kombinatorische Hochdurchsatzdruckverfahren (HTCP) ermöglicht die Herstellung von Materialien, die mit traditionellen Methoden nicht machbar sind.
Materialentwicklung deutlich beschleunigt
Mithilfe des HTCP-Verfahrens lassen sich sowohl die 3D-Architektur als auch die lokale Zusammensetzung der gedruckten Materialien steuern, sodass Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften in mikroskaliger räumlicher Auflösung entstehen.
In einer einzigen Druckdüse sind mehrerer Aerosol-Tinten aus Nanomaterialien enthalten. Durch die Kombination dieser und die Anpassung des Mischungsverhältnisses der Tinten während des Druckvorgangs. lässt sich die Entdeckungszeit für neue Materialien auf wenige Monate verkürzen. Das In-situ-Mischen und Drucken in der Aerosolphase ermöglicht die sofortige Abstimmung des Mischverhältnisses einer breiten Palette von Materialien im laufenden Betrieb. Der herkömmliche Multimaterialdruck mit Ausgangsstoffen in der Flüssig-Flüssigkeits- oder Fest-Festphase bietet diese wichtige Eigenschaft nicht.
Das große Potential dieser HTCP-Methode ist es, die Entwicklung neuer Materialien – ein normalerweis langsamer und arbeitsintensiver Prozess – zu beschleunigen.
„Normalerweise dauert es 10 bis 20 Jahre, bis ein neues Material entdeckt wird“, erklärt Yanliang Zhang, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau an der University of Notre Dame. „Wenn wir diese Zeit auf weniger als ein Jahr – oder sogar ein paar Monate – verkürzen könnten, wäre das ein entscheidender Fortschritt bei der Entdeckung und Herstellung neuer Materialien.“
Hochleistungsmaterialien durch HTCP-Methode
Die HTCP-Methode ermöglicht die Herstellung vielseitiger Materialbibliotheken. Zum einen lassen sich Gradientenschichten aus Metallen, Nitriden, Karbiden, Chalkogeniden, Halogeniden und sogar scheinbar inkompatiblen Materialien herstellen, zum anderen können Materialien mit einzigartigen strukturellen Anordnungen und überlegenen Eigenschaften entwickelt werden, die ihre konstitutiven Materialien mit homogenen Zusammensetzungen übertreffen.
Auch funktional abgestufte Materialien, die einen allmählichen Übergang von steif zu weich aufweisen, können mit HTCP hergestellt werden. Diese Eigenschaft macht sie besonders wertvoll für biomedizinische Anwendungen, die eine Kompatibilität zwischen weichem Gewebe und starren, tragbaren oder implantierbaren Geräten erfordern.
Diese Technik wurde von Zhang und sein Team bereits dazu genutzt, ein Halbleitermaterial mit außergewöhnlichen thermoelektrischen Eigenschaften zu identifizieren, das zum Fortschritt bei Anwendungen zur Energiegewinnung und -kühlung beiträgt.
Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen
Die Möglichkeit, schnell Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften im Mikrobereich herzustellen, eröffnet spannende Chancen für verschiedene Branchen. Auch für umweltfreundliche Energie, Elektronik und biomedizinische Geräte.
Für die Zukunft plant Zhang, HTCP mit maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz zu kombinieren, um die Entdeckung und Entwicklung von Materialien weiter zu beschleunigen. Sein Team arbeitet daran, einen autonomen und selbststeuernden Prozess für die Materialentdeckung und die Herstellung von Geräten zu entwickeln.
Die vollständige Publikation (Zeng, M., Du, Y., Jiang, Q. et al. High-throughput printing of combinatorial materials from aerosols. Nature 617, 292–298 (2023)) können Sie hier finden.
