納米印刷沉積：助力納米技術發(fā)展，引發(fā)納米能源領域革命性變革

絕緣、傳導、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；更好的傳導導致更低的損耗；更好的耐腐蝕性，可實現(xiàn)更長的使用壽命和更低的維護要求。

近幾十年來，科學家開始通過研究越來越小的顆粒即所謂的納米顆粒（通常只有幾納米大小）來控制材料的特性。在研究過程中，許多人認為：“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 Aaike van Vugt 發(fā)現(xiàn)科學家們很難產(chǎn)生小、干凈且輪廓分明的粒子時，他開始與 Andreas Schmidt-Ott 教授一起研究火花燒蝕。利用該技術，可以相對容易地生產(chǎn)這類顆粒。

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

"在廣泛推廣這項技術之前, 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，在校擔任化學技術專家，他在學習期間結識了 Andreas Schmidt-Ott 教授，后者于 1980 年開發(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 Spark Ablation

火花燒蝕技術基于流過所需材料的管子的惰性氣體（例如氬氣或氮氣）進行工作。通過在現(xiàn)場高溫下快速產(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；從單個原子到幾十納米?；鸹ǖ母邷兀ǔ^ 20,000 開爾文）使得處理任何表面不含（有機）污染物的地球材料成為可能。

該過程不僅有效、高效，而且干凈。特別是當設備使用綠色能源運行時。載氣可以通過過濾器輕松回收。也沒有廢物流，這意味著該過程可以輕松集成到（現(xiàn)有）生產(chǎn)過程中。

Aaike 說：“經(jīng)過半天的訓練后我發(fā)現(xiàn)火花燒蝕技術實際上可以制造出任何我想要的納米粒子，這一事實令我很感興趣。” 與此同時，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。

“我認為 Andreas 教授的火花燒蝕技術是很好的研究新材料的技術 。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。

在接下來的幾年里，基于火花燒蝕技術的 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貼。

VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器是一臺桌面式儀器,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)在氣相中進行，因此無需使用表面活性劑或前驅體。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)。使用時只需安裝電極并設置參數(shù)，按下按鈕即可開始生成納米粒子。

VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器

<2>  從實驗室級別到商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)

在向荷蘭國家公共衛(wèi)生與環(huán)境研究院（RIVM） 和代爾夫特理工大學交付第一批 VSParticle-G1 納米粒子發(fā)生器后，來自阿姆斯特丹的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)展并在此基礎上開發(fā)新產(chǎn)品的機會。

其中尤其重要的是新推出的 VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)，可以實現(xiàn)無機納米結構材料的打印直寫。這些顆粒通常小于 10 nm，而且沒有引入任何的化學添加劑和墨水組分，可以較大程度保留顆粒本身的性質。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。

VSParticle-P1 納米沉積系統(tǒng)得到了新投資者 Plural Platform 的進一步開發(fā)并應用于商業(yè)化。VSParticle 不僅要將該打印沉積系統(tǒng)用于科學研究，而且還要用于商業(yè)化的大批量材料生產(chǎn)。

<3>  應用領域

Aaike 認為納米技術市場廣泛，覆蓋農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)療應用、能源轉型和太空等。但專注的行業(yè)研究更重要，目前 VSParticle-P1 納米印刷沉積系統(tǒng)的應用領域如下：

1.氣體傳感器

第一個焦點涉及氣體傳感器。目前，氣體傳感器能夠檢測一種或多種氣體，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等移動設備中。

VSParticle 目前正在開發(fā)一種具有這些特性的傳感器，能夠測量 VOC（揮發(fā)性有機化合物，如推進劑、甲醛和苯）。Aaike 說道。“未來他們可以檢測到微量的特定氣體，可以提前發(fā)現(xiàn)即將發(fā)生的疾病。早期發(fā)現(xiàn)通?？梢愿纳浦委熯x擇，從而降低醫(yī)療費用。”

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2.電解水制氫

第二個產(chǎn)業(yè)已經(jīng)受到媒體的廣泛關注，它與能源轉型有關，涉及開發(fā)涂有催化劑的膜（CCM），該膜能夠將水分解為氧氣和氫氣。簡而言之：它產(chǎn)生氫氣。膜電極現(xiàn)在是通過七步工藝生產(chǎn)的，還需要非常稀有的材料銥。

Aaike：“到 2030 年，氫能市場在 7 年內(nèi)將擴大約 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。

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<4>利用納米技術引發(fā)納米能源領域變革  

多年來，納米粒子具有與散裝材料不同的特性的發(fā)現(xiàn)一直促使科學界繼續(xù)研究這一問題。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，研究將迎來全新的階段。

VSParticle 的納米技術正在為能源轉型創(chuàng)造新材料。其能夠局部打印無機納米結構材料。

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

MTA 的技術能力和附加值可以將產(chǎn)品和生產(chǎn)開發(fā)相結合，具有批量生產(chǎn)所需的精度和可重復性。通過這種方式，MTA 為 VSPaticle 提供了決定性的商業(yè)案例。