Ein neues 3D-Druckverfahren könnte sich als „Game Changer“ im Bereich der Materialentdeckung und -herstellung erweisen. Das von Yanliang Zhang, außerordentlicher Professor an der University of Notre Dame, entwickelte kombinatorische Hochdurchsatzdruckverfahren (HTCP) ermöglicht die Herstellung von Materialien, die mit traditionellen Methoden nicht machbar sind.
Beschleunigung der Materialentwicklung
Mit HTCP 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.
Durch die Kombination mehrerer Aerosol-Tinten aus Nanomaterialien in einer einzigen Druckdüse 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.
Die HTCP-Methode birgt daher großes Potenzial, 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“, sagt 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
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.
Darüber hinaus ist HTCP in der Lage, funktional abgestufte Materialien herzustellen, die einen allmählichen Übergang von steif zu weich aufweisen. Diese Eigenschaft macht sie besonders wertvoll für biomedizinische Anwendungen, die eine Kompatibilität zwischen weichem Gewebe und starren, tragbaren oder implantierbaren Geräten erfordern.
Zhang und sein Team haben diese Technik bereits dazu genutzt, um ein Halbleitermaterial mit außergewöhnlichen thermoelektrischen Eigenschaften zu identifizieren, das zum Fortschritt bei Anwendungen zur Energiegewinnung und -kühlung beiträgt.
Neue Möglichkeiten für verschiedene Branchen
Die Fähigkeit, schnell Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften im Mikrobereich herzustellen, eröffnet spannende Möglichkeiten für verschiedene Branchen, darunter 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.
