Разработан метод 3D-печати керамических структур размером 10 микрометров

19.02.2025 13:24:00 | iXBT.com

Новая технология 3D-печати керамики открывает широкие возможности в медицине, очистке воды и космической промышленности. Учёные из Университета Карнеги-Меллон разработали метод аэрозольной струйной 3D-нанопечати (3D-AJP), позволяющий создавать сложнейшие керамические структуры размером всего 10 микрометров – это меньше толщины человеческого волоса.

Исследование описывает технологию, способную производить микроскопические керамические элементы, такие как столбики, спирали и решётки. Эти структуры обладают контролируемой пористостью, что открывает новые горизонты в применении керамики.

Рахул Панат, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллон и ведущий автор исследования, подчёркивает: «Создать керамические структуры столь малого размера и высокой точности традиционными методами производства было бы невозможно. Они бы просто разрушились».

Схема 3D-AJP: аэрозольная струйная 3D-нанопечать сложных 3D-керамических микроархитектур с почти нулевой усадкой. Иллюстрация: Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202405334

Керамика считается ключевым материалом для развития инженерных систем благодаря своей износостойкости, термостабильности, теплоизоляции, высокой жёсткости и биосовместимости. Хотя существующие методы 3D-печати уже позволяли изготавливать керамические изделия, они часто сталкивались с проблемой значительной усадки и дефектов при постобработке из-за удаления добавок, необходимых для поддержки материала во время печати. Усадка в диапазоне 15%-43% создавала серьёзные трудности для производителей в настройке параметров печати.

Метод 3D-AJP не требует добавок в чернилах и демонстрирует усадку всего 2-6%. Для достижения этой цели исследовательская группа провела детальное изучение производственного процесса, определив необходимые CAD-программы для получения желаемой формы.

Кроме того, команда, включая постдока доктора Чуншаня Ху, продемонстрировала уникальную способность 3D-AJP печатать две керамические структуры в одном изделии, что открывает путь к более сложным применениям.

Панат отмечает: «Используя эти структуры, мы можем обнаруживать маркеры рака груди, сепсиса и другие биомолекулы в образце крови всего за 20 секунд». Это приложение является развитием предыдущих исследований группы Паната, в ходе которых был разработан металлический биосенсор для обнаружения COVID-19 за 10 секунд. Преимущество керамических сенсоров в том, что их можно производить почти в пять раз быстрее, чем металлические аналоги.

Технология также обещает прорыв в области очистки воды. «В присутствии ультрафиолетового света и оксида цинка химические вещества могут разлагаться, поэтому, создавая трёхмерную структуру с большей площадью поверхности, мы можем увеличить скорость и эффективность очистки воды в четыре раза», – поясняет Панат.

Ещё одно перспективное направление применения новой технологии – космическая промышленность. Возможность контролировать пористость керамических структур позволяет регулировать их теплопроводность, что важно для создания эффективных теплоизоляторов, используемых в космических кораблях.

Таким образом, технология 3D-AJP открывает широкие перспективы для развития различных отраслей – от медицинской диагностики до космической промышленности, предлагая более эффективные и точные решения существующих проблем.

Подробнее