「ネイチャー」：ノートルダム大学が新素材の開発プロセスを短縮する新しい高スループット複合3Dプリントプロセスを開始

この投稿は warrior bear によって 2023-5-17 20:57 に最後に編集されました。

2023年5月17日、アンタークティックベアは、カーラ・クルーズが発表した記事によると、米国インディアナ州ノートルダム大学の航空宇宙および機械工学の准教授であるヤンリャン・チャン氏が、単一の印刷ノズルで複数の霧化ナノ材料インクを混合することにより、従来の製造方法では実現できない方法で材料を生産できる新しい3D印刷方法を開発したことを知りました。

この研究は「エアロゾルからの組み合わせ材料の高スループット印刷」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9
「新しい素材を発見するには通常10年から20年かかります」と張氏は言う。「その時間を1年未満、あるいは数か月に短縮できれば、新しい素材の発見と製造に大変革をもたらすことになると思います。」
この新しい 3D 印刷プロセスは、ハイスループットコンビナトリアル印刷 (HTCP) と呼ばれ、単一の印刷ノズルで複数の霧化ナノ材料インクを混合することで実現され、印刷プロセス中にインクの混合比を変更できます。 HTCP 法は、印刷された材料の 3D 構造と局所的な構成を制御し、マイクロスケールの空間解像度で勾配のある構成と特性を持つ材料を生成することができます。
△ HTCPの設計戦略。 a – インサイチュエアロゾル混合に基づく複合印刷方法の概略図。 b – 直交および平行グラデーション印刷設計戦略と、青色インク (食品染料ブルー 1) と赤色インク (ローダミン B) を使用した対応する印刷グラデーションパターン。構成変調機能を示しています。 c – エアロゾルインクの流量が堆積した材料に与える影響を示す光学顕微鏡画像。スケールバー100µm。 d – さまざまなインク（ポリスチレン、AgNW、グラフェン、Bi2Te3）の印刷された材料の厚さと流量の関係。エラーバーは 4 回の実験の繰り返しから得られたものを表します。標準: 立方センチメートル/分。出典：Nature617、292–298（2023）勾配組成を持つコンビナトリアル材料の高速印刷。 a、可視光と波長 365 nm の紫外線下での蓄光インク (青) のエアロゾル沈着を示す高速カメラ画像。スケールバー、2.5 mm。 b、HTCP プロセスの典型的な勾配曲線。 SEM 画像は、Ag インクの流量の増加と Bi2Te3 インクの流量の減少に伴って Ag/Bi2Te3 複合材料の形態が変化することを示しました。製造工程には約1分かかります。スケールバー、1 µm。 c、SEM（上）とEDS（下）を使用したAg/Bi2Te3複合材料の組成特性評価。スケールバー、100 µm。 d、Ag/Bi2Te3複合材料の勾配方向における元素分布。誤差バーは 3 つの勾配サンプルからの標準偏差を表します。 e、Agナノ粒子とBi2Te3ナノプレート間の界面を示すAg/Bi2Te3複合材料のTEM。スケールバー、2 nm。 △ HTCPには幅広い材質オプションがあります。 a、広範囲の要素を網羅した各種印刷複合システムの要素マッピング。スケールバー、300 µm。 b、0D、1D、2D ナノ粒子を使用して直接印刷されたさまざまな材料の組み合わせの SEM 画像。スケールバー、1 μm。 c、ポリマーの組み合わせ印刷。ラマン分光法により、PEDOT:PSS/キトサン（上）とCNC/PEDOT:PSS（下）の組み合わせの組成変化が確認されました。 au、任意単位△ HTCPは、コンビナトリアルドーピング、機能グレーディング、化学反応、組成微細構造を実現できます。 a、複合ドーピングの概略図。 b、傾斜硫黄ドーピング濃度を持つBi2Te2.7Se0.3膜と、その結果生じる局所ゼーベック係数の変化。誤差バーは、ゼーベック係数の 2 回の実験反復と硫黄ドーピング濃度の 6 回の実験反復からの標準偏差を表します。 c、最適化されたドーピングで印刷された当社の Bi2Te2.7Se0.3 (赤) と過去 10 年間に印刷された他の n 型材料との室温でのパワーファクターの比較26–32。参考のため、当社のドーピングされていない Bi2Te2.7Se0.3 はオレンジ色で示されています。 d、機能性傾斜材料の複合印刷の概略図。 e、2 種類の染料で着色された 2 種類の PUD インクで印刷されたグラデーションポリウレタンフィルムの赤と緑の光強度を示す蛍光画像。挿入図には光ルミネッセンス画像が示されています。スケールバー、1 mm。 f、局所ヤング率とサンプル位置の関係（空間分解能は約 27 µm）。 g、組み合わせ化学反応の模式図。 h、GO/rGO勾配フィルムの光学顕微鏡画像。スケールバー、0.5 mm。 i、異なるサンプル位置での D:G バンド比を示すラマン分析。挿入図は、一晩反応させた後の勾配フィルムの光学画像を示しています。スケールバー、1 mm。誤差バーは 3 回の実験の繰り返しからの標準偏差を表します。 j、左、複合微細構造の概略図。右は、厚さ方向に沿ってサブミクロン解像度の周期構造を持つ Ag/MoS2 の例 (疑似カラー SEM、赤は Mo、青は Ag、スケールバー、300 nm) と印刷された 3D 塩結晶アレイ (スケールバー、300 μm)。
エアロゾルインクベースの HTCP アプローチは汎用性が非常に高く、金属、半導体、誘電体、ポリマー、生体材料など、幅広い範囲に適用できます。これを使用して複合材料を生成し、本質的には材料のライブラリ（それぞれに何千もの固有の成分が含まれる）を作成できます。
Yanliang Zhang 氏によると、コンビナトリアル材料印刷と高スループット特性評価を組み合わせることで、材料開発を大幅に加速できるとのことです。ノートルダム大学のチームはこの方法を使用して、優れた熱電特性を持つ半導体材料を特定しました。これは、エネルギー収集および冷却アプリケーションにとって有望な発見です。
HTCP は、材料開発プロセスを加速するだけでなく、硬い材料から柔らかい材料へと徐々に変化する機能的に傾斜した材料の製造にも使用できるため、ウェアラブルやインプラントへの応用に大きな可能性を秘めています。研究の次の段階では、Yanliang Zhang 氏と彼の先進製造およびエネルギー研究室の学生たちは、機械学習と人工知能による戦略を HTCP と組み合わせて、さまざまな材料の発見と開発を加速することを計画しています。
最終的に、張氏は「将来的には、材料の発見とデバイスの製造のための自律的かつ自動化されたプロセスを開発し、研究室の学生がより高度な思考に自由に集中できるようにしたいと考えています」と述べています。

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