（左起）港科大機械及航空航天工程學系副教授楊徵保，及其研究團隊成員洪穎博士丶劉世源博士和楊曉丹

港科大工學院的團隊研發出一種新型工藝技術，可克服傳統積層制造技術（即3D打印技術）的局限，令制造具有復雜三維構型的多孔陶瓷材料更簡易快捷，有望革新多種陶瓷材料的設計與加工技術，并廣泛應用于能源丶電子和生物醫學等多個領域的產品上，例如機械人丶太陽能電池丶傳感器丶電池電極和殺菌設備等。

多孔陶瓷是一種應用廣泛的陶瓷材料，性能穩定丶具耐沖蝕性丶使用壽命長。為研究有效制造這種物料的方法，港科大機械及航空航天工程學系副教授楊徵保帶領團隊采用「表面張力輔助兩步法」（STATS）設計了一種加工策略，僅需兩個步驟，包括利用積層制造技術制備有機骨架，以建立基本構型，然后再把所需成分的前驅體溶液注入該骨架中，便可制造出多孔陶瓷。

這種方法最大的挑戰在于如何有效控制液體的幾何形狀。為了達致預期效果，團隊借助了一種在大自然四處可找到的現象——表面張力。由于表面張力可將流體聚集并固定在骨架中，研究人員遂利用這一特性，把前驅體溶液收集于多孔骨架內，最終成功控制液體的幾何形狀，并制造出高精度的多孔陶瓷。

針對由單元格和單元列構成的骨架，研究團隊進一步從理論和實驗兩方面探討了它們的幾何參數，以指導不同排列組合的三維流體界面創建。經過烘乾處理和高溫燒結后，團隊制備出各種復雜構型的多孔陶瓷。這種工藝將成分匹配從結構成型分離出來，通過可編程制造，能夠生成不同單元尺寸丶幾何形狀丶相對密度丶三維結構和組成成分的多孔陶瓷。該STATS方法不僅能夠制備剛玉（Al2O3）等結構陶瓷，還可用于制備二氧化鈦（TiO2）丶鐵酸鉍（BiFeO3）丶鈦酸鋇（BaTiO3）等各種功能陶瓷產品。

為了驗證新工藝的優越性，團隊選擇了多孔壓電陶瓷作為研究對象，測試它的壓電性能。結果顯示，由于原始漿料中的有機成分顯著減少，這種STATS制造工藝能有效減少陶瓷中的微孔，同時提高局部致密性。對于整體呈多孔而局部致密的壓電陶瓷，其優勢尤為顯著，即使在整體孔隙率非常高（> 90%）的情況下，仍能達到相對較高的壓電常數d33（~ 200 pC N-1）。

楊教授透露，這項研究的靈感來自硅藻，即一種常見于沉積物或附著在水中固體物質上的藻類，亦是許多動物的直接或間接食物。單細胞硅藻擁有獨特的硅酸鹽外殼。它們的外殼以高度精確的構造見稱，在基因編程所驅動的生物礦化作用下，它們具有各式各樣的形態丶結構丶幾何構造丶孔隙分布和組裝方式。

楊教授表示：「這種新工藝克服了傳統制造方法的局限，促進了可編程且在幾何學上構型復雜的陶瓷制作，能制備各類復雜構型的結構陶瓷和功能陶瓷，具有廣泛的應用潛力，例如適用于過濾器丶傳感器丶驅動器丶機械人丶電池電極丶太陽能電池和殺菌設備等。此外，團隊創新地利用流體界面工程來進行固體材料加工，為界面工程與智能制造的結合開拓了嶄新的研究方向，有望促進先進結構設計和智能材料的協同發展。」

這項研究最近在全球頂尖的綜合學術期刊《自然通訊》發表，題為「A Bioinspired Surface Tension-Driven Route Toward Programmed Cellular Ceramics」。論文的共同第一作者包括洪穎博士丶劉世源博士及楊曉丹。洪博士與劉博士曾擔任港科大的博士后研究員，而楊曉丹則是楊徵保教授指導的博士生。

受大自然啟發而設計出來的「表面張力輔助兩步法」工藝

原文始發于微信公眾號（香港科技大學工學院）：科研成果｜港科大工學院研發新型工藝技術　有效簡化多孔陶瓷材料制作過程