Der altbewährte edisonianische Versuch-und-Irrtum-Entdeckungsprozess ist langsam und arbeitsintensiv. Dies behindert die Entwicklung dringend benötigter neuer Technologien für saubere Energie und ökologische Nachhaltigkeit sowie für Elektronik und biomedizinische Geräte.
„Normalerweise dauert es 10 bis 20 Jahre, ein neues Material zu entdecken“, sagte Yanliang Zhang, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau an der University of Notre Dame.
„Ich dachte, wenn wir diese Zeit auf weniger als ein Jahr – oder sogar ein paar Monate – verkürzen könnten, wäre das ein Wendepunkt für die Entdeckung und Herstellung neuer Materialien.“
Jetzt hat Zhang genau das geschafft und eine neuartige 3D-Druckmethode entwickelt, mit der Materialien auf eine Weise hergestellt werden können, die mit der herkömmlichen Fertigung nicht möglich ist. Das neue Verfahren mischt mehrere aerosolisierte Nanomaterial-Tinten in einer einzigen Druckdüse und variiert dabei das Tintenmischungsverhältnis während des Druckvorgangs. Diese Methode – High-Throughput Combinatorial Printing (HTCP) genannt – steuert sowohl die 3D-Architekturen als auch die lokalen Zusammensetzungen der gedruckten Materialien und erzeugt Materialien mit Gradientenzusammensetzungen und -eigenschaften bei räumlicher Auflösung im Mikromaßstab.
Seine Forschung wurde gerade in veröffentlicht Natur.
Das aerosolbasierte HTCP ist äußerst vielseitig und auf eine breite Palette von Metallen, Halbleitern und Dielektrika sowie Polymeren und Biomaterialien anwendbar. Es generiert kombinatorische Materialien, die als „Bibliotheken“ fungieren und jeweils Tausende einzigartiger Kompositionen enthalten.
Die Kombination von kombinatorischem Materialdruck und Hochdurchsatzcharakterisierung könne die Materialentdeckung erheblich beschleunigen, sagte Zhang. Sein Team hat diesen Ansatz bereits genutzt, um ein Halbleitermaterial mit überlegenen thermoelektrischen Eigenschaften zu identifizieren, eine vielversprechende Entdeckung für Energiegewinnungs- und Kühlanwendungen.
HTCP beschleunigt nicht nur die Entdeckung, sondern produziert auch funktional abgestufte Materialien, die allmählich von steif zu weich übergehen. Dies macht sie besonders nützlich für biomedizinische Anwendungen, die eine Brücke zwischen weichem Körpergewebe und steifen tragbaren und implantierbaren Geräten schlagen müssen.
In der nächsten Forschungsphase planen Zhang und die Studenten seines Advanced Manufacturing and Energy Lab, maschinelles Lernen und auf künstlicher Intelligenz basierende Strategien auf die datenreiche Natur von HTCP anzuwenden, um die Entdeckung und Entwicklung einer breiten Palette von zu beschleunigen Materialien.
„In der Zukunft hoffe ich, einen autonomen und selbstfahrenden Prozess für die Materialentdeckung und Geräteherstellung zu entwickeln, damit sich die Studenten im Labor frei auf das Denken auf hohem Niveau konzentrieren können“, sagte Zhang.
