納米印刷沉積：助力納米技術(shù)發(fā)展，引發(fā)納米能源領(lǐng)域革命性變革

絕緣、傳導(dǎo)、反射、保溫、耐磨和防銹等材料及其特性在日常生活中發(fā)揮著重要作用，科學(xué)家們正在不斷努力改善材料的特性以制造出具備更優(yōu)性能的產(chǎn)品。更好的隔熱效果可以降低供暖成本；更好的傳導(dǎo)導(dǎo)致更低的損耗；更好的耐腐蝕性，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的使用壽命和更低的維護(hù)要求。

近幾十年來(lái)，科學(xué)家開(kāi)始通過(guò)研究越來(lái)越小的顆粒即所謂的納米顆粒（通常只有幾納米大?。﹣?lái)控制材料的特性。在研究過(guò)程中，許多人認(rèn)為：“如果能干凈地生產(chǎn)這些納米粒子并將它們組合成所需的成分，那么我們就可以制造任何可以想象的材料！” 

當(dāng) Aaike van Vugt 發(fā)現(xiàn)科學(xué)家們很難產(chǎn)生小、干凈且輪廓分明的粒子時(shí)，他開(kāi)始與 Andreas Schmidt-Ott 教授一起研究火花燒蝕。利用該技術(shù)，可以相對(duì)容易地生產(chǎn)這類(lèi)顆粒。

VSParticle 在代爾夫特成立后研發(fā)出了 VSParicle-G1 納米粒子發(fā)生器，在獲得融資后推出了 新的VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)。它可以將納米顆粒組合成任何所需的配置，開(kāi)發(fā)用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的制氫的膜電極（CCMs)和氣體傳感器。

VSParticle 創(chuàng)始人 Aaike van Vugt 與 VSPaticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)原型機(jī)

"在廣泛推廣這項(xiàng)技術(shù)之前, 你首先必須真正證明自己!"

<1>  VSParticle 公司的誕生

Aaike van Vugt 畢業(yè)于代爾夫特理工大學(xué)，在校擔(dān)任化學(xué)技術(shù)專(zhuān)家，他在學(xué)習(xí)期間結(jié)識(shí)了 Andreas Schmidt-Ott 教授，后者于 1980 年開(kāi)發(fā)了一種利用火花燒蝕生產(chǎn)非常小的顆粒的方法。

火花燒蝕技術(shù) Spark Ablation

火花燒蝕技術(shù)基于流過(guò)所需材料的管子的惰性氣體（例如氬氣或氮?dú)猓┻M(jìn)行工作。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)高溫下快速產(chǎn)生大量火花，材料蒸發(fā)成非常小的（納米）顆粒。最終，這些顆粒聚集成稍大的顆粒。

納米顆粒發(fā)生器能夠控制確切的尺寸；從單個(gè)原子到幾十納米。火花的高溫（超過(guò) 20,000 開(kāi)爾文）使得處理任何表面不含（有機(jī)）污染物的地球材料成為可能。

該過(guò)程不僅有效、高效，而且干凈。特別是當(dāng)設(shè)備使用綠色能源運(yùn)行時(shí)。載氣可以通過(guò)過(guò)濾器輕松回收。也沒(méi)有廢物流，這意味著該過(guò)程可以輕松集成到（現(xiàn)有）生產(chǎn)過(guò)程中。

Aaike 說(shuō)：“經(jīng)過(guò)半天的訓(xùn)練后我發(fā)現(xiàn)火花燒蝕技術(shù)實(shí)際上可以制造出任何我想要的納米粒子，這一事實(shí)令我很感興趣。” 與此同時(shí)，他注意到許多研究人員正在努力生產(chǎn)小型和干凈的納米顆粒。

“我認(rèn)為 Andreas 教授的火花燒蝕技術(shù)是很好的研究新材料的技術(shù) 。在他的建議下，2014 年我畢業(yè)后的一天，VSParticle 成立了。”Aaike van Vugt 是CEO。

在接下來(lái)的幾年里，基于火花燒蝕技術(shù)的 VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器的工作得以完成，很快獲得了第一批補(bǔ)貼。

VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器是一臺(tái)桌面式儀器,用于生成尺寸范圍為 1-20 nm 的純金屬、金屬氧化物或合金納米氣溶膠材料。納米顆粒的生產(chǎn)在氣相中進(jìn)行，因此無(wú)需使用表面活性劑或前驅(qū)體。用于納米粒子生產(chǎn)的源材料是由所需材料制成的兩根靶材(電極)。使用時(shí)只需安裝電極并設(shè)置參數(shù)，按下按鈕即可開(kāi)始生成納米粒子。

VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器

<2>  從實(shí)驗(yàn)室級(jí)別到商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)

在向荷蘭國(guó)家公共衛(wèi)生與環(huán)境研究院（RIVM） 和代爾夫特理工大學(xué)交付第一批 VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器后，來(lái)自阿姆斯特丹的Invaco Management 于 2017 年作為重要投資者加入，這為這家初創(chuàng)企業(yè)提供了繼續(xù)發(fā)展并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)。

其中尤其重要的是新推出的 VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)材料的打印直寫(xiě)。這些顆粒通常小于 10 nm，而且沒(méi)有引入任何的化學(xué)添加劑和墨水組分，可以較大程度保留顆粒本身的性質(zhì)。該打印系統(tǒng)還提供打印不同成分和厚度的納米多孔層的選項(xiàng)。

VSParticle-P1 納米沉積系統(tǒng)得到了新投資者 Plural Platform 的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于商業(yè)化。VSParticle 不僅要將該打印沉積系統(tǒng)用于科學(xué)研究，而且還要用于商業(yè)化的大批量材料生產(chǎn)。

<3>  應(yīng)用領(lǐng)域

Aaike 認(rèn)為納米技術(shù)市場(chǎng)廣泛，覆蓋農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)療應(yīng)用、能源轉(zhuǎn)型和太空等。但專(zhuān)注的行業(yè)研究更重要，目前 VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域如下：

1.氣體傳感器

第一個(gè)焦點(diǎn)涉及氣體傳感器。目前，氣體傳感器能夠檢測(cè)一種或多種氣體，但區(qū)分不同元素的能力很弱。我們希望開(kāi)發(fā)出更靈敏、更具選擇性并且（極其）緊湊的傳感器，使它們能夠輕松集成到智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中。

VSParticle 目前正在開(kāi)發(fā)一種具有這些特性的傳感器，能夠測(cè)量 VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物，如推進(jìn)劑、甲醛和苯）。Aaike 說(shuō)道。“未來(lái)他們可以檢測(cè)到微量的特定氣體，可以提前發(fā)現(xiàn)即將發(fā)生的疾病。早期發(fā)現(xiàn)通常可以改善治療選擇，從而降低醫(yī)療費(fèi)用。”

推薦閱讀：超細(xì)納米粒子干法打印用于金屬氧化物氣體傳感器

2.電解水制氫

第二個(gè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)受到媒體的廣泛關(guān)注，它與能源轉(zhuǎn)型有關(guān)，涉及開(kāi)發(fā)涂有催化劑的膜（CCM），該膜能夠?qū)⑺纸鉃檠鯕夂蜌錃?。?jiǎn)而言之：它產(chǎn)生氫氣。膜電極現(xiàn)在是通過(guò)七步工藝生產(chǎn)的，還需要非常稀有的材料銥。

Aaike：“到 2030 年，氫能市場(chǎng)在 7 年內(nèi)將擴(kuò)大約 200 倍。” 這也適用于使用這些膜的電解槽的容量。VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng) 可以直接將銥催化劑沉積在薄膜上，精度更高，而且銥的用量顯著減少。

推薦閱讀：干法膜電極：打印納米催化劑，制氫成本大幅降低

<4>利用納米技術(shù)引發(fā)納米能源領(lǐng)域變革  

多年來(lái)，納米粒子具有與散裝材料不同的特性的發(fā)現(xiàn)一直促使科學(xué)界繼續(xù)研究這一問(wèn)題。隨著VSParticle-G1 粒子發(fā)生器和 VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)的發(fā)展，研究將迎來(lái)全新的階段。

VSParticle 的納米技術(shù)正在為能源轉(zhuǎn)型創(chuàng)造新材料。其能夠局部打印無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)材料。

為擴(kuò)大規(guī)模的需求找到合適的合作伙伴，它與 MTA 進(jìn)行了密切合作。MTA 擁有 20 多年生產(chǎn)高科技機(jī)電一體化系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，采用多學(xué)科方法，將機(jī)械工程、電子學(xué)和控制工程相結(jié)合，創(chuàng)造出整體高效的系統(tǒng)。

MTA 的技術(shù)能力和附加值可以將產(chǎn)品和生產(chǎn)開(kāi)發(fā)相結(jié)合，具有批量生產(chǎn)所需的精度和可重復(fù)性。通過(guò)這種方式，MTA 為 VSPaticle 提供了決定性的商業(yè)案例。