《自然》杂志于5月10日刊登了美国印第安纳州圣母大学航空航天与机械工程学院首席研究员Yanliang Zhang副教授采用3D打印以前所未有的新方式实现新材料开发的研究，被认为“将改变新材料发现和制造的游戏规则”。

新材料的开发通常需要10-20年时间，这项开创性的研究大大改变了这一规律，借助一种高通量组合3D打印方法，研究团队能够以微尺度空间分辨率制造具有成分梯度的材料，从而将开发时间缩短到不到一年——甚至几个月。

什么是梯度材料？

功能梯度材料（Functionally Gradient Materials，FGMs）,是由日本的新野正之、平井敏雄和渡边龙三等著名学者于1987年秋提出并着手研究的。当时是用于新一代航天飞机的热防护系统,即在与高温气体接触侧采用陶瓷耐高温材料,而在液氢冷却侧采用金属材料保证其力学强度和热传导性。继日本之后,美国、德国、俄罗斯、瑞士等国家也纷纷关注并开始了功能梯度材料的研究。目前在国际范围内己形成了以日、美、中、德等国家为中心的FGM国际合作研究环境,而且有越来越多的国家加入到了这一新兴的研究领域。

梯度材料成形方法及性能优势

材料的成分组成及结构决定了性能，因此能够在具体实践过程中快速筛选材料。然而，激光或其他等离子体固有的高能特性使新材料开发可能并不总是有效，增材制造已经可以在新材料开发过程中使用微米级和纳米级材料，但即便是新近的喷墨、电化学和电流体动力氧化还原打印方法，在快速混合机制和快速改变混合比方面也存在不足，常规方法在不同材料的通用组合和梯度材料的生产方面仍然存在材料选择有限等挑战。

圣母大学研究团队创造出一种称为高通量组合打印（HTCP）的新型3D打印方法，能以传统制造无法比拟的方式生产材料。在新工艺中，多种雾化纳米材料“油墨”会在一个打印喷嘴中混合，且在打印过程中，“油墨”中各种材料的比例也会动态改变。因此，HTCP能控制打印材料的3D结构和局部成分，并以微尺度空间分辨率生产柔韧程度逐渐变化的梯度材料。

高通量组合打印开发新材料

对于理想的相互扩散系统，需要低流体粘度和最小尺寸的扩散单元，这促使人们研究使用气溶胶进行原位混合和打印的潜力气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，这些固态或液态颗粒的密度与气体介质的密度可以相差微小，也可以悬殊很大，从流体力学角度，气溶胶实质上是气态为连续相，固、液态为分散相的多相流体。气溶胶喷射打印是一种高效的非接触式增材制造技术，通过限域气溶胶射流，形成微米级射流幅宽，实现微尺度增材制造新过程。相较于传统材料打印技术产品，具有打印精度、边界可控性好、适用材料多(可雾化的溶液、悬浮液)、粘度范围宽及微纳结构原位调控等特点，可实现纳米级厚度，微米级特征，可广泛应用于新能源、电子、光电、微纳制造、半导体及生物医药等领域材料薄膜及高性能器件研发、制备和小批量生产过程，并为新材料设计、表界面研究提供一种全新方案。

研究团队指出，在气溶胶相中进行原位混合和打印，可以即时调整各种材料的混合比，这是使用液-液相或固-固相原料的传统多材料打印无法获得的重要特征。研究团队展示了多种高通量打印策略和在组合掺杂、功能分级和化学反应方面的应用，使掺杂硫族化物和具有梯度特性的成分分级材料的材料探索成为可能。

高通量组合打印设计策略

具体的说，这种新方法是在单个打印喷嘴中混合多种雾化纳米材料墨水，在打印过程中改变墨水混合比例，这种称为高通量组合打印 (HTCP) 的方法可控制打印材料的3D结构和局部成分，并以微尺度空间分辨率改变材料的梯度成分和特性。

基于气溶胶的高通量组合3D打印用途极为广泛，适用于金属、半导体和电介质，以及聚合物和生物材料。由此组合得到的材料“库”——可形成数千种独特成分。

研究的应用前景

据Yanliang Zhang介绍，将组合材料打印和高通量表征相结合可以显著加快材料开发。研究人员除了加速发现新材料之外，气溶胶的高通量组合3D打印还可以制造功能分级材料，这些材料会逐渐从硬质过渡到软质。其团队已经使用新方法打印出一种具有优异热电性能的半导体材料，这一材料有望在能量收集和冷却应用领域“大显身手”。而梯度材料可用作柔软的身体组织和坚硬的可穿戴或植入式设备之间的“桥梁”，在生物医学领域特别有用。

在下一阶段研究中，Yanliang Zhang还计划引入机器学习和人工智能指导策略，以加速发现和开发范围广泛的材料。

将增材制造自上而下的设计自由与自下而上的局部材料成分控制相结合的能力，有望开发出通过传统制造方法无法获得的成分复杂的材料。

总结

一种新的3D打印方法，以微尺度空间分辨率生产出柔韧程度可呈梯度变化的材料，有望成为“游戏规则的改变者”，开拓更为广阔的关于材料的想象空间。高通量组合打印技术制造的组合材料可被视为一个包含数千种成分的材料库，研究人员能从中找到具有独特性能的最佳材料成分。科研人员表示，新方法能够缩短新材料的发现周期——不到一年，甚至更短，人工智能技术还能将其进一步加速。诸多渴求新型材料的领域，如今仿佛站在了变革前夜。