最近的一项研究介绍了一种突破性的技术，解决了传统3D打印方法的局限性，使得创建复杂的细胞陶瓷变得更加容易和快速。这种新方法可能会改变各种陶瓷材料的设计和加工方式，为能源、电子和生物医学等领域的激动人心的应用铺平道路，包括在机器人技术、太阳能技术、传感器、电池组件和抗菌设备中的应用。
香港科技大学（HKUST）工程学院进行的一项研究揭示了一种突破性技术，解决了传统增材制造（3D打印）的局限性。这种方法显著简化并加快了复杂细胞陶瓷的制作，潜在地重塑不同陶瓷材料的设计和加工，并为能源、电子和生物医学等领域的新应用打开了新的途径，包括机器人技术、太阳能技术、传感器、电池组件和抗菌设备。
细胞陶瓷是一种因其一致的性能、耐磨损性和耐用性而受到广泛认可的材料。由香港科技大学机械与航空航天工程系的杨正宝副教授领导的研究团队开发了一种名为表面张力辅助双步骤（STATS）的新加工技术，用于创建具有特定设计的3D单元配置的细胞陶瓷。该技术主要包括两个步骤：（1）利用增材制造制作有机晶格结构以形成基础设计；（2）将包含所需材料的前驱体溶液注入晶格中。
主要的挑战之一是管理液体的形状。为了克服这个问题，团队利用了表面张力这一自然力，将前驱体溶液限制在专门设计的细胞晶格内。通过有效利用表面张力的特性来固定和保持流体在构建的晶格内部，他们实现了对液体形状的精确控制，成功生产出高度精准的细胞陶瓷。
研究人员还从理论和实验两个方面考察了影响组装晶格的几何因素，这有助于在有序配置中建立3D流体界面。在经过干燥过程和高温烧结后，设计的细胞陶瓷被成功生产。新的STATS技术将材料合成与建筑构造分开，使得可以根据需要定制生产具有多种单元大小、形状、密度、元结构和材料组成的细胞陶瓷。这种方法高度可编程，使其适用于结构陶瓷（如Al2O3）和功能陶瓷（如TiO2、BiFeO3和BaTiO3）。
为了评估这种技术的有效性，研究人员调查了生成的细胞压电陶瓷的压电性能。他们发现这种方法降低了微孔率，同时提高了烧结细胞陶瓷的局部密度，主要由于原材料混合物中有机含量显著降低。这一进展支持了生产全球多孔而局部致密的细胞压电陶瓷，即使整体孔隙率超过90%，也能实现相当大的压电常数d33（约为200 pC N-1）。
杨教授分享说，这种方法的灵感来源于硅藻——单细胞藻类，主要栖息在沉积物中或依附在水中的固体表面，是各种动物的直接和间接食物来源。硅藻以其硅质壳（或外细胞壁）而闻名，该壳通过一种遗传编程的生物矿化过程形成，导致产生具有不同形状、几何、孔排列和组装的精确结构。
“我们的方法解决了传统制造技术的限制，使得能够创建复杂和可编程的陶瓷结构。这种创新方法促进了多种结构和功能细胞陶瓷的处理，支持诸如过滤、传感、驱动、机器人技术、电池电极、太阳能技术和抗菌设备等应用。此外，我们对固体制造中流体界面的重视为将界面加工与尖端制造相结合开辟了道路，促进了创新设计和智能材料的共同发展。”杨教授详细解释道。
