Eine von der School of Engineering der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) geleitete Studie hat eine innovative Methode entwickelt, welche die Einschränkungen der traditionellen additiven Fertigung (3D-Druck) überwindet und die Herstellung geometrisch komplexer Zellkeramiken erheblich vereinfacht und beschleunigt.
Dieser Ansatz birgt das Potenzial, das Design und die Verarbeitung vielfältiger Keramikmaterialien zu revolutionieren und neue Möglichkeiten für Anwendungen in den Bereichen Energie, Elektronik und Biomedizin zu eröffnen, darunter Robotik, Solarzellen, Sensoren, Batterieelektroden und bakterizide Geräte.
Die Studie mit dem Titel „Ein bioinspirierter, oberflächenspannungsgesteuerter Weg zu programmierter Zellkeramik“ ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
Zellkeramiken sind weit verbreitete Keramikmaterialien, die für ihre stabile Leistung, Erosionsbeständigkeit und lange Lebensdauer bekannt sind. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Yang Zhengbao von der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der HKUST entwickelte eine oberflächenspannungsunterstützte Zwei-Schritt-Verarbeitungsstrategie (STATS) zur Herstellung von Zellkeramiken mit programmierten zellbasierten 3D-Konfigurationen.
Dieser Ansatz umfasst zwei wesentliche Schritte: (1) die Herstellung zellbasierter organischer Gitter mit Hilfe der additiven Fertigungsmethode, um die Grundkonfigurationen aufzubauen; und (2) das Einfüllen der Präkursor-Lösung mit den erforderlichen Bestandteilen in das architektonische Gitter.
Eine große Herausforderung war die Kontrolle der Flüssigkeitsgeometrie. Um dieses Problem zu lösen, nutzte das Team die Oberflächenspannung, ein natürliches Phänomen, um die Vorläuferlösung in architektonischen Zellgittern einzufangen. Indem sie die Fähigkeit der Oberflächenspannung nutzten, Flüssigkeiten in vorbereiteten Gittern einzufangen und festzuhalten, konnten sie die Flüssigkeitsgeometrie erfolgreich kontrollieren und Zellkeramiken mit hoher Präzision herstellen.
Das Team untersuchte außerdem sowohl theoretisch als auch experimentell die Geometrieparameter für die aus Elementarzellen und Elementarspalten zusammengesetzten Architekturgitter, um die Erstellung der 3D-Fluidschnittstelle in angeordneten Konfigurationen zu steuern.
Nach dem Trocknen und Sintern bei hohen Temperaturen wurden die konstruierten Zellkeramiken erhalten. Mithilfe des neuen STATS-Ansatzes wurde die Synthese der Inhaltsstoffe vom Aufbau der Architektur getrennt, was die programmierbare Herstellung von Zellkeramiken mit verschiedenen Zellgrößen, Geometrien, Dichten, Metastrukturen und Bestandteilen ermöglicht. Dank der hohen Programmierbarkeit ist die Methode sowohl auf Strukturkeramiken (z. B. Al2O3) als auch auf Funktionskeramiken (z. B. TiO2, BiFeO3, BaTiO3) anwendbar.
Um die Überlegenheit der Methode zu bestätigen, untersuchten die Forscher auch die piezoelektrische Leistung von zellulären Piezokeramiken. Sie fanden heraus, dass der vorgeschlagene Ansatz die Mikroporen verringern und die lokale Kompaktheit in gesinterten zellulären Keramiken verbessern konnte, da der organische Anteil im Ausgangsmaterial deutlich reduziert wurde. Dieser Prozess kommt der Herstellung von global porösen und lokal kompakten zellulären Piezokeramiken zugute und erreicht eine relativ hohe piezoelektrische Konstante d33 (~ 200 pC N-1), selbst bei einer sehr hohen Gesamtporosität (> 90 %).
Prof. Yang erklärte, dass die Methode von Kieselalgen inspiriert wurde. Kieselalgen sind Algen, die häufig in Sedimenten oder an festen Substanzen im Wasser haftend vorkommen und vielen Tieren direkt und indirekt als Nahrung dienen. Einzellige Kieselalgen sind eindeutig an ihrer Kieselschale oder äußeren Zellwand zu erkennen. Dank eines genetisch programmierten Biomineralisierungsprozesses werden ihre Schalen in hochpräzisen Strukturen aufgebaut, die eine Vielzahl von Morphologien, Formen, Geometrien, Porenverteilungen und Anordnungen aufweisen.
„Unsere Strategie überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Fertigungsmethoden und ermöglicht die Schaffung programmierbarer, geometrisch komplexer Keramikarchitekturen. Dieser neuartige Ansatz kann bei der Verarbeitung zahlreicher struktureller und funktionaler Zellkeramiken helfen und zu Anwendungen in den Bereichen Filter, Sensoren, Aktuatoren, Robotik, Batterieelektroden, Solarzellen und bakterizide Geräte beitragen“, erklärte Prof. Yang.
Darüber hinaus bietet die Philosophie der technischen Fluidschnittstelle für die Feststoffverarbeitung auch eine neue Lösung für die Kombination der Grenzflächenverarbeitung mit innovativer Fertigung und fördert so die synergetische Entwicklung von fortschrittlichem Design und intelligenten Materialien.“
Weitere Informationen:
Ying Hong et al., Ein bioinspirierter, oberflächenspannungsgesteuerter Weg zu programmierter Zellkeramik, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49345-3