Các nhà nghiên cứu phát triển phương pháp cải tiến để đơn giản hóa quy trình sản xuất ceramic tế bào

Phương pháp tiếp cận này có tiềm năng cách mạng hóa thiết kế và xử lý nhiều loại vật liệu ceramic, mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng mới trong năng lượng, điện tử và y sinh, bao gồm robot, pin mặt trời, cảm biến, điện cực pin và thiết bị diệt khuẩn.

Nghiên cứu có tên "A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics”, (con đường hướng tới ceramic tế bào được lập trình dựa trên sức căng bề mặt lấy cảm hứng từ sinh học) đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Ceramic tế bào là vật liệu ceramic hay vật liệu gốm được sử dụng rất phổ biến rộng rãi, và được biết đến có hiệu suất ổn định, khả năng chống xói mòn và tuổi thọ cao.

Mới đây, một nhóm nghiên cứu do phó giáo sư Yang Zhengbao, Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại HKUST đứng đầu đã thiết kế một chiến lược xử lý hai bước hỗ trợ sức căng bề mặt (STATS) để chế tạo ceramic tế bào với cấu hình dựa trên tế bào 3D được lập trình.

Phương pháp này bao gồm hai bước chính: (1) chuẩn bị các mạng hữu cơ dựa trên tế bào được hỗ trợ bởi phương pháp sản xuất bồi đắp để xây dựng các cấu hình cơ bản; và (2) đổ dung dịch tiền chất với thành phần cần thiết vào mạng kiến ​​trúc.

Một thách thức lớn là làm sao có thể kiểm soát hình dạng chất lỏng. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng sức căng bề mặt, một hiện tượng tự nhiên, để thu giữ dung dịch tiền chất trong các mạng tế bào kiến ​​trúc. Nhờ tận dụng khả năng của sức căng bề mặt để bẫy và ghim chất lỏng trong các mạng đã chuẩn bị, họ đã kiểm soát thành công hình dạng chất lỏng và quản lý để sản xuất được ceramic tế bào với độ chính xác cao.

Nhóm nghiên cứu đã tiếp tục nghiên cứu các thông số hình học cho các mạng kiến ​​trúc được lắp ráp bởi các ô đơn vị và các cột đơn vị, cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm, để hướng dẫn việc tạo giao diện chất lỏng 3D trong các cấu hình được sắp xếp. Sau khi sấy khô và thiêu kết ở nhiệt độ cao, họ đã thu được các vật liệu ceramic tế bào cấu ​​trúc. Bằng cách sử dụng phương pháp STATS mới, cho phép họ sản xuất ceramic tế bào có thể lập trình với nhiều kích thước, hình dạng, mật độ, siêu cấu trúc và thành phần cấu thành khác nhau. Với khả năng lập trình cao, phương pháp này có thể áp dụng cho cả gốm cấu trúc (ví dụ: Al2O3) và gốm chức năng (ví dụ: TiO2, BiFeO3, BaTiO3).

Để xác minh tính ưu việt của phương pháp, các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu hiệu suất áp điện của ceramic tế bào. Họ phát hiện ra rằng phương pháp được đề xuất có thể làm giảm các lỗ rỗng nhỏ và cải thiện độ chặt chẽ cục bộ trong gốm tế bào thiêu kết do thành phần hữu cơ trong nguyên liệu đầu vào giảm đáng kể. Quá trình này có lợi cho việc sản xuất gốm sứ tế bào xốp toàn cục và xốp cục bộ, đạt được hằng số áp điện tương đối cao d33 (~ 200 pC N-1) ngay cả ở cấp độ xốp tổng thể rất cao (> 90%).

Giáo sư Yang tiết lộ rằng phương pháp này được lấy cảm hứng từ tảo cát, một loại tảo thường thấy trong trầm tích hoặc bám vào các chất rắn trong nước, và phục vụ trực tiếp và gián tiếp làm thức ăn cho nhiều loài động vật. Tảo cát đơn bào có đặc điểm riêng biệt là vỏ tế bào silica hoặc thành tế bào bên ngoài. Nhờ quá trình khoáng hóa sinh học được lập trình theo gen, vỏ tế bào của chúng được cấu tạo thành các cấu trúc cực kỳ chính xác, thể hiện nhiều hình thái, hình dạng, hình học, phân bố lỗ rỗng và khả năng tự lắp ráp. "Chiến lược của chúng tôi khắc phục được những hạn chế của các phương pháp sản xuất thông thường và cho phép tạo ra các cấu ​​trúc gốm có thể lập trình, phức tạp về mặt hình học. Phương pháp tiếp cận mới lạ này có thể giúp xử lý nhiều loại gốm tế bào có cấu trúc và chức năng, góp phần vào các ứng dụng liên quan đến bộ lọc, cảm biến, bộ truyền động, rô bốt, điện cực pin, pin mặt trời và thiết bị diệt khuẩn", giáo sư Yang giải thích.