15 مه 2023 -توسط کارلا کروز، دانشگاه نوتردام
استراتژی طراحی HTCP الف، تصویر شماتیک روش چاپ ترکیبی بر اساس اختلاط آئروسل درجا. ب، استراتژی‌های طراحی چاپ گرادیان متعامد و موازی، و الگوهای گرادیان چاپی متناظر با استفاده از جوهر آبی (رنگ خوراکی آبی 1) و جوهر قرمز رودامین B، که یک ویژگی ترکیبی-مدولاسیون را نشان می‌دهد. ج، تصاویر میکروسکوپ نوری که تأثیر نرخ جریان جوهر آئروسل را بر روی مواد رسوب‌شده نشان می‌دهد. نوار مقیاس، 100 میکرومتر. d، ضخامت مواد چاپی در مقابل سرعت جریان جوهرهای مختلف پلی استایرن، AgNW، گرافن و Bi2Te3 نوارهای خطا نشان دهنده s.d. از چهار تکرار آزمایشی .
فرآیند آزمایش و خطای کشف ادیسونی که از گذشته به آن احترام گذاشته شده، کند و کاری فشرده است. این امر مانع توسعه فناوری های جدید مورد نیاز فوری برای انرژی پاک و پایداری زیست محیطی و همچنین برای وسایل الکترونیکی و زیست پزشکی می شود.
Yanliang Zhang، دانشیار مهندسی هوافضا و مکانیک در دانشگاه نوتردام می‌گوید: «معمولاً 10 تا 20 سال طول می‌کشد تا یک ماده جدید کشف شود.من فکر می‌کردم اگر بتوانیم این زمان را به کمتر از یک سال یا حتی چند ماه کاهش دهیم، می‌توانیم بازی را برای کشف و ساخت مواد جدید تغییر دهیم.»
اکنون ژانگ دقیقاً این کار را انجام داده است و یک روش چاپ سه بعدی جدید ایجاد کرده است که موادی را به روشی تولید می کند که با تولید معمولی نمی تواند مطابقت داشته باشد. فرآیند جدید چندین جوهر نانومواد آئروسل شده را در یک نازل چاپ مخلوط می‌کند و نسبت اختلاط جوهر را در طول فرآیند چاپ تغییر می‌دهد. این روش – که پرینت ترکیبی با توان عملیاتی بالا (HTCP) نامیده می شود – معماری سه بعدی و ترکیبات محلی مواد چاپی را کنترل می کند و موادی با ترکیبات گرادیان و خواص در وضوح فضایی در مقیاس میکرو تولید می کند.
تحقیقات او به تازگی در Nature منتشر شده است.
HTCP مبتنی بر آئروسل بسیار متنوع است و برای طیف وسیعی از فلزات، نیمه هادی ها و دی الکتریک ها و همچنین پلیمرها و بیومواد قابل استفاده است. این مواد ترکیبی را تولید می کند که به عنوان “کتابخانه” عمل می کنند، که هر کدام حاوی هزاران ترکیب منحصر به فرد است.
ژانگ گفت که ترکیب چاپ مواد ترکیبی و مشخصه‌سازی با توان بالا می‌تواند به طور قابل توجهی کشف مواد را تسریع کند. تیم او قبلاً از این رویکرد برای شناسایی یک ماده نیمه هادی با خواص ترموالکتریک برتر استفاده کرده است که یک کشف امیدوارکننده برای کاربردهای برداشت انرژی و خنک کننده است.
علاوه بر سرعت بخشیدن به کشف، HTCP مواد درجه بندی شده عملکردی تولید می کند که به تدریج از سفت به نرم تبدیل می شوند. این امر آنها را به ویژه در کاربردهای زیست پزشکی که نیاز به پل زدن بین بافت‌های نرم بدن و دستگاه‌های پوشیدنی و کاشتنی سفت دارند، مفید می‌کند.
در مرحله بعدی تحقیقات، ژانگ و دانش‌آموزان در آزمایشگاه تولید پیشرفته و انرژی خود قصد دارند از یادگیری ماشین و استراتژی‌های هدایت‌شده با هوش مصنوعی در ماهیت غنی از داده HTCP استفاده کنند تا به کشف و توسعه طیف گسترده‌ای از فناوری‌های مواد سرعت ببخشند..
ژانگ گفت: “امیدوارم در آینده یک فرآیند مستقل و خودران برای کشف مواد و ساخت دستگاه ایجاد کنم، بنابراین دانشجویان در آزمایشگاه بتوانند آزادانه روی تفکر سطح بالا تمرکز کنند.”
