一種被稱為高通量組合打印（HTCP）的新型3D打印方法已經誕生，它大大加速了新材料的發現和生產。該過程涉及在打印過程中混合多種氣溶膠納米材料油墨，這使得打印材料的結構和局部成分得到精細控制。這種方法產生的材料具有漸變的成分和特性，可以應用於廣泛的物質，包括金屬、半導體、聚合物和生物材料。

高通量組合打印圖解。高通量組合打印（HTCP）極大地加速了新材料的發現和生產。資料來源：聖母大學

不斷地試驗和錯誤發現過程是緩慢和勞動密集型的。這阻礙了清潔能源和環境可持續性以及電子和生物醫學設備急需的新技術的發展。聖母大學航空航天和機械工程副教授張延良說：”發現一種新材料通常需要10到20年。我想如果我們能把這個時間縮短到一年以內–甚至幾個月–這將改變新材料的發現和製造的遊戲規則。”

現在張已經做到了這一點，創造了一種新型的3D打印方法，以傳統製造業無法比擬的方式生產材料。新工藝在一個打印噴嘴中混合多種氣溶膠納米材料墨水，在打印過程中不斷改變墨水混合比例。這種方法–被稱為高通量組合印刷（HTCP）–可以控製印刷材料的三維結構和局部成分，並以微觀空間分辨率生產具有梯度成分和特性的材料。他的研究於2023年5月10日發表在《自然》雜誌上。

基於氣溶膠的HTCP用途非常廣泛，適用於廣泛的金屬、半導體和電介質，以及聚合物和生物材料。它生成的組合材料具有”庫”的功能，每一種都包含成千上萬的獨特成分。

結合組合材料打印和高通量表徵可以大大加快材料的發現。張的團隊已經用這種方法確定了一種具有卓越熱電特性的半導體材料，這是一個有希望用於能量收集和冷卻應用的發現。

除了加快發現速度，HTCP還能生產出功能分級的材料，從硬到軟逐漸過渡。這使得它們在生物醫學應用中特別有用，這些應用需要在柔軟的身體組織和堅硬的可穿戴和可植入設備之間搭建橋樑。

在下一階段的研究中，張和他的先進製造和能源實驗室的學生計劃將機器學習和人工智能指導的策略應用於HTCP的豐富數據，以加速發現和開發廣泛的材料。

“在未來，我希望為材料發現和設備製造開發一個自主和自我驅動的過程，因此實驗室的學生可以自由地專注於高水平的思考，”張說。