Quy trình này là quá trình trộn nhiều loại mực vật liệu nano sol khí (các hạt nano trộn khí nén) trong quá trình in, cho phép kiểm soát hiệu chính xác cấu trúc thành phần cục bộ của vật liệu in. Phương pháp này tạo ra những vật liệu có thành phần và tính chất gradient (chuyển đổi véc tơ), có thể được áp dụng cho nhiều loại chất khác nhau như kim loại, chất bán dẫn, polymer và vật liệu sinh học.

Quy trình khám phá vật liệu mới “thử và sai” truyền thống của Edison diễn ra chậm và tốn nhiều công sức. Sự phát triển theo nguyên tắc tiếp cận này cản trở sự phát triển của những công nghệ mới, có ý nghĩa quan trọng cho sự phát triển nguồn năng lượng sạch và bền vững của môi trường, các thiết bị điện tử và y sinh cũng như những vật liệu có nhu cầu cấp thiết trong xã hội.

Ông Yanliang Zhang, PGS kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Notre Dame Úc cho biết: “Thường phải mất từ ​​10 đến 20 năm để khám phá ra một loại vật liệu mới. Tôi nghĩ nếu chúng ta có thể rút ngắn thời gian đó xuống dưới một năm hoặc thậm chí vài tháng, đó sẽ là một yếu tố thay đổi quy trình khám phá và sản xuất các vật liệu mới, có nghĩa là thúc đẩy nhanh hơn quá trình phát triển các công nghệ mới.”

Trong một nghiên cứu mới gần đây, PGS Zhang và nhóm sinh viên của ông đã thành công trong ý tưởng này, sáng tạo một phương pháp in 3D mới, có thể sản xuất vật liệu theo phương thức mà quy trình sản xuất thông thường không thể đáp ứng. Quy trình chế tạo vật liệu mới là quá trình trộn nhiều loại mực vật liệu nano sol khí hóa (các hạt vật liệu nano trộn khí nén) trong một đầu phun in 3D duy nhất, thay đổi tỷ lệ trộn mực nhanh chóng trong quá trình in.

Sơ đồ mô phỏng in 3D kết hợp thông lượng cao. Ảnh SciTech Daily

Phương pháp in 3D mới được gọi là in kết hợp thông lượng cao (HTCP), cho phép kiểm soát cả cấu trúc 3D và các thành phần cục bộ của vật liệu in, đồng thời tạo ra các vật liệu có thành phần và tính chất chuyển đổi véc tơ (gradient) ở độ phân giải không gian cấp độ vi mô.

Kết quả nghiên cứu của PGS Zhang và nhóm sinh viên được công bố trên ngày 10/5 trên tạp chí Nature.

 Sơ đồ minh họa phương pháp in tổ hợp thông lượng cao, sử dụng kỹ thuật trộn sol khí các hạt vật liệu nano tại vòi phun. Ảnh Nature

Phương pháp HTCP trên kỹ thuật sol khí hóa mực in 3D cực kỳ linh hoạt và có thể được áp dụng để chế tạo nhiều loại kim loại, chất bán dẫn, chất điện môi, polymer và vật liệu sinh học với những tính chất chuyển đổi định hướng. HTCP tạo ra các vật liệu tổ hợp có những chức năng như “các thư viện”, mỗi thư viện lại chứa hàng nghìn thành phần kết hợp độc đáo.

PGS Zhang cho biết, phương thức kết hợp in vật liệu tổ hợp và đặc tính thông lượng cao cho phép tăng tốc quá trình khám phá vật liệu. Nhóm nghiên cứu của ông trong một thí nghiệm chứng minh ý tưởng đã sử dụng phương pháp này để xác định và chế tạo thành công một vật liệu bán dẫn có những đặc tính nhiệt điện vượt trội, đầy hứa hẹn cho những ứng dụng làm mát và thu thập năng lượng.

Ngoài khả năng tăng tốc độ khám phá vật liệu mới, HTCP còn sản xuất những vật liệu được phân loại theo chức năng, ví dụ như vật liệu dần chuyển từ cứng sang mềm. Tính chất ấn tượng này của vật chất đặc biệt hữu ích trong những ứng dụng y sinh, cần kết nối giữa các mô cơ mềm và các thiết bị cứng có thể đeo hoặc cấy ghép trong cơ thể.

Trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo, PGS Zhang và các sinh viên trong Phòng thí nghiệm Năng lượng và Sản xuất tiên tiến của Đại học Notre Dame có kế hoạch áp dụng thử nghiệm kỹ thuật Máy học và Trí tuệ Nhân tạo (AI) để xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ mang tính bản chất của HTCP nhằm đẩy nhanh tiến trình khám phá và phát triển hàng loạt vật liệu mới, cần thiết cho những công nghệ mới.

PGS Zhang cho biết: “Trong tương lai, tôi hy vọng sẽ phát triển một quy trình tự động hóa và tự điều chỉnh để khám phá vật liệu cần thiết và sản xuất các chi tiết thiết bị, giúp sinh viên trong phòng thí nghiệm có nhiều thời gian để tập trung vào phát triển tư duy sáng tạo”.