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Nature volume 617、pages 292–298 (2023)この記事を引用

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111 オルトメトリック

メトリクスの詳細

新材料の開発とその組成および微細構造の最適化は、クリーンエネルギーや環境の持続可能性などの次世代技術にとって不可欠です。 しかし、材料の発見と最適化はイライラするほど時間がかかるプロセスでした。 エジソン流の試行錯誤プロセスは、特に広大な材料設計空間と比較すると、時間がかかり、リソースの効率が悪くなります1。 従来のコンビナトリアル堆積法では材料ライブラリを生成できますが、材料の選択肢が限られており、ナノ材料合成における大きなブレークスルーを活用できないという問題があります。 今回我々は、マイクロスケールの空間解像度で組成勾配を有する材料を製造できるハイスループットのコンビナトリアルプリンティング法を報告する。 エアロゾル相でのその場での混合と印刷により、広範囲の材料の混合比をその場で瞬時に調整できます。これは、液-液相または固体-固体相の原料を使用する従来のマルチマテリアル印刷では得られない重要な機能です4、5、 6. 私たちは、組み合わせドーピング、機能グレーディング、化学反応におけるさまざまなハイスループット印刷戦略とアプリケーションを実証し、ドープされたカルコゲナイドや勾配特性を備えた組成的に傾斜した材料の材料探査を可能にします。 積層造形のトップダウン設計の自由と局所材料組成のボトムアップ制御を組み合わせる能力により、従来の製造アプローチではアクセスできない組成的に複雑な材料の開発が期待できます。

材料は多くの科学技術革新において極めて重要な役割を果たしており、新材料開発の進歩は大きな社会的課題の解決策を追求する鍵となります。 組み合わせ材料堆積（例: コスパッタリング）により、エレクトロニクス、磁気、光学、エネルギー関連用途向けの新しい材料の迅速なスクリーニングが可能になりました7。 これらの組み合わせ材料ライブラリーのサンプルが豊富な特徴により、組成、構造、特性の関係の解明が容易になり、広範囲の組成にわたる材料の迅速なスクリーニングが可能になります。 それにもかかわらず、レーザーまたはプラズマの本質的な高エネルギーの性質により、多くの材料 (コロイド粒子、感熱性ポリマーなど) が汎用の組み合わせ材料ライブラリの開発での使用から除外されます。 積層造形は、マイクロおよびナノスケールの構成要素を使用して複雑な構造の材料を製造する汎用性の高い方法として登場しました8、9、10。 最近、材料ライブラリの作製のために、インクジェット印刷、電気化学印刷、電気流体力学的レドックス印刷などのいくつかの印刷アプローチが提案されています 11、12、13。 しかし、これらの方法では、高速混合機構が欠如し、混合比を迅速に変更できないため、材料の選択肢が限られており、異なる材料の普遍的な組み合わせや勾配材料ライブラリの作成に関して依然として課題があります。

理想的な相互拡散システムでは、流体の粘度が低く、拡散ユニットの最小サイズが望ましいため、現場での混合と印刷にエアロゾルを使用する可能性を調査することになります。 マルチマテリアルエアロゾルジェットプリンティングに関するこれまでの研究は、機能性材料およびデバイスの開発において着実に進歩してきた14,15が、組み合わせ勾配材料のエアロゾルベースのプリンティングは依然として課題である。 エアロゾルベースの印刷中、材料の堆積速度はいくつかのパラメータ (エアロゾル インク流量、シース ガス流量、印刷速度、霧化電圧など) の影響を受ける可能性があり 16,17、これらの印刷パラメータの相互作用によりエアロゾル混合が複雑になります。印刷中の堆積。 インク配合と印刷条件が最適化されていないと、噴射が不安定になる可能性があり、エアロゾルベースの印刷に不確実性が生じる可能性があります。 エアロゾル混合と組み合わせ印刷プロセスの集合的挙動を理解するために、実験手法 (高速カメラ イメージングなど) と数値流体力学 (CFD) シミュレーションの両方を組み合わせて、インク配合、エアロゾル混合と相互作用、印刷パラメーターの最適化を体系的に調査しました。 。 エアロゾルベースの混合と印刷を実現するために、当社のハイスループットコンビナトリアルプリンティング (HTCP) アプローチは、2 つ (または複数) のインクを微小スケールのインク滴を含むエアロゾルに噴霧することから始まります。次に、組み合わされたインクの流れが 1 つのノズル内で混合され、空気力学的に行われます。蒸着前に並流シースガスによって集束されます（図1a）。 さまざまなサイズのノズルを備えたエアロゾルジェットプリントヘッドが適用され、x-y平面で約20μmという低い空間解像度と約100nmという薄い堆積厚さで微細な特徴を実現します（補足図1および2）。 一次元（1D）勾配材料ライブラリを生成するために、直交勾配プリンティングと平行勾配プリンティングの 2 つのプリンティング戦略を調査しました（図 1b）。 どちらのアプローチでもグラデーション フィルムを生成できますが、直交印刷の方が幅広い印刷速度に対応できるため、より汎用性が高い傾向にあることがわかりました。 対照的に、パラレルグラディエントモードでの高い印刷速度は、不正確なインクの混合と堆積を引き起こす望ましくない堆積遅延につながる可能性があります (図 1b)。 直交印刷を通じてインクの混合比を連続的に変化させることにより、クリーンルーム設備を必要とせずに、印刷物の組成変化を細かい勾配で実現できます（補足ビデオ 1 および補足表 1）。