Высокий

Nature, том 617, страницы 292–298 (2023 г.) Процитировать эту статью

14 тысяч доступов

101 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка новых материалов и оптимизация их состава и микроструктуры имеют важное значение для технологий следующего поколения, таких как чистая энергия и экологическая устойчивость. Однако открытие и оптимизация материалов оказались удручающе медленным процессом. Эдисоновский процесс проб и ошибок требует много времени и неэффективен с точки зрения ресурсов, особенно по сравнению с огромным пространством для проектирования материалов1. Хотя традиционные методы комбинаторного осаждения могут создавать библиотеки материалов2,3, они страдают от ограниченного выбора материалов и неспособности использовать крупные прорывы в синтезе наноматериалов. Здесь мы сообщаем о высокопроизводительном методе комбинаторной печати, позволяющем изготавливать материалы с композиционными градиентами с микромасштабным пространственным разрешением. Смешивание на месте и печать в аэрозольной фазе позволяют мгновенно регулировать соотношение смешивания широкого спектра материалов на лету, что является важной функцией, недостижимой при традиционной печати из нескольких материалов с использованием сырья в фазах жидкость-жидкость или твердое-твердое вещество4,5. 6. Мы демонстрируем различные стратегии высокопроизводительной печати и применения в комбинаторном легировании, функциональной градации и химических реакциях, что позволяет исследовать легированные халькогениды и материалы с градиентными свойствами. Возможность сочетать свободу проектирования сверху вниз при аддитивном производстве с контролем снизу вверх над локальным составом материалов обещает разработку сложных по составу материалов, недоступных с помощью традиционных производственных подходов.

Материалы играют ключевую роль во многих научных и технологических инновациях, а прогресс в разработке новых материалов является ключом к поиску решений грандиозных социальных проблем. Комбинаторное осаждение материалов (например, совместное распыление) позволило быстро отобрать новые материалы для электроники, магнетизма, оптики и приложений, связанных с энергетикой7. Богатый набор образцов этих библиотек комбинаторных материалов облегчает выяснение взаимосвязи состав-структура-свойство и позволяет быстро проверять материалы в широком диапазоне составов. Тем не менее, собственная высокоэнергетическая природа лазера или плазмы исключает использование многих материалов (например, коллоидных частиц, термочувствительных полимеров) при разработке универсальных библиотек комбинаторных материалов. Аддитивное производство стало универсальным методом изготовления материалов сложной структуры с использованием микро- и наноразмерных строительных блоков8,9,10. Недавно для изготовления библиотек материалов было предложено несколько подходов к печати, включая струйную печать, электрохимическую печать и электрогидродинамическую окислительно-восстановительную печать11,12,13. Однако эти методы по-прежнему страдают от ограниченного выбора материалов и проблем, связанных с универсальным сочетанием различных материалов и созданием библиотек градиентных материалов из-за отсутствия механизмов быстрого смешивания и невозможности быстрого изменения пропорций смешивания.

Для идеальной системы взаимной диффузии желательны низкая вязкость жидкости и минимальный размер диффузионных блоков, что заставляет нас исследовать потенциал использования аэрозолей для смешивания и печати на месте. Предыдущие исследования в области аэрозольной струйной печати из нескольких материалов показали устойчивый прогресс в разработке функциональных материалов и устройств14,15, хотя аэрозольная печать комбинаторных градиентных материалов остается сложной задачей. Во время аэрозольной печати на скорость осаждения материала могут влиять несколько параметров (скорость потока аэрозольных чернил, скорость потока оболочного газа, скорость печати, напряжение распыления и т. д.)16,17, а взаимодействие этих параметров печати усложняет смешивание аэрозоля. и нанесение во время печати. Неоптимизированный состав чернил и условия печати могут привести к нестабильной струе, что может привести к неопределенности при печати на основе аэрозолей. Чтобы понять коллективное поведение смешивания аэрозолей и комбинаторного процесса печати, мы систематически исследовали состав чернил, смешивание и взаимодействие аэрозолей, а также оптимизацию параметров печати, комбинируя как экспериментальные методы (например, быструю съемку с камеры), так и моделирование вычислительной гидродинамики (CFD). . Чтобы добиться смешивания и печати на основе аэрозоля, наш подход к высокопроизводительной комбинаторной печати (HTCP) начинается с распыления двух (или нескольких) чернил в аэрозоли, содержащие микромасштабные капли чернил, где объединенные потоки чернил затем смешиваются в одном сопле и аэродинамически перед осаждением фокусируется спутным покровным газом (рис. 1а). Применяется аэрозольная печатающая головка с соплами различных размеров, обеспечивающая мелкие детали с пространственным разрешением всего около 20 мкм в плоскости x – y и толщиной нанесения примерно 100 нм (дополнительные рисунки 1 и 2). Чтобы создать библиотеку одномерных (1D) градиентных материалов, мы исследовали две стратегии печати — ортогональную и параллельную градиентную печать (рис. 1б). Хотя оба подхода позволяют создавать градиентные пленки, мы обнаружили, что ортогональная печать более универсальна, поскольку может работать в широком диапазоне скоростей печати. Напротив, высокая скорость печати в режиме параллельного градиента может привести к нежелательной задержке осаждения, что приводит к неточному смешиванию и осаждению чернил (рис. 1b). Путем непрерывного изменения соотношения смешивания чернил посредством ортогональной печати можно добиться плавного изменения состава печатных материалов без необходимости использования чистых помещений (дополнительное видео 1 и дополнительная таблица 1).