Forskere udskriver alle-flydende 3D-strukturer

Forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en måde at udskrive 3D-strukturer, der udelukkende består af væsker. Ved hjælp af en modificeret 3D-printer, de sprøjtede tråde af vand ind i silikoneolie - skulpturrør lavet af en væske i en anden væske.

De forestiller sig, at deres flydende materiale kunne bruges til at konstruere flydende elektronik, der driver fleksibel, strækbare enheder. Forskerne forudser også kemisk tuning af rørene og flydende molekyler gennem dem, hvilket fører til nye måder at adskille molekyler på eller præcist levere nanoskala byggesten til forbindelser under konstruktion.

Forskerne har trykt vandtråde mellem 10 mikron og 1 millimeter i diameter, og i en række spiralformede og forgrenede former op til flere meters længde. Hvad mere er, materialet kan tilpasse sig sine omgivelser og gentagne gange ændre form.

"Det er en ny klasse af materiale, der kan omkonfigurere sig selv, og det har potentiale til at blive tilpasset til flydende reaktionsbeholdere til mange anvendelser, fra kemisk syntese til iontransport til katalyse, "sagde Tom Russell, en besøgende fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division. Han udviklede materialet sammen med Joe Forth, en postdoktor i materialevidenskabsafdelingen, samt andre forskere fra Berkeley Lab og flere andre institutioner. De rapporterer deres forskning den 24. marts i tidsskriftet Avancerede materialer .

Materialet skylder sin oprindelse to fremskridt:lære at oprette flydende rør inde i en anden væske, og derefter automatisere processen.

For det første trin, forskerne udviklede en måde at kappe vandrør i et specielt nanopartikel-afledt overfladeaktivt stof, der låser vandet på plads. Det overfladeaktive stof, hovedsagelig sæbe, forhindrer rørene i at bryde op i dråber. Deres overfladeaktive stof er så god til sit job, forskerne kalder det en nanopartikel supersoap.

Supersæben blev opnået ved at dispergere guldnanopartikler i vand og polymerligander i olie. Guldnanopartiklerne og polymerliganderne ønsker at vedhæfte hinanden, men de vil også forblive i deres respektive vand- og oliemedier. Ligander blev udviklet med hjælp fra Brett Helms ved Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility placeret på Berkeley Lab.

I praksis, hurtigt efter at vandet er sprøjtet ind i olien, snesevis af ligander i olien fastgøres til individuelle nanopartikler i vandet, danner en nanopartikel supersæbe. Disse supersoaps jamrer sammen og forglaser, som glas, som stabiliserer grænsefladen mellem olie og vand og låser væskestrukturer i position.

"Denne stabilitet betyder, at vi kan strække vand ind i et rør, og det forbliver et rør. Eller vi kan forme vand til en ellipsoid, og det forbliver en ellipsoid, "sagde Russell." Vi har brugt disse nanopartikelsupper til at printe vandrør, der holder i flere måneder. "

Dernæst kom automatisering. Forth ændrede en 3-D-printer på hylden ved at fjerne komponenterne, der er designet til at printe plastik, og udskifte dem med en sprøjtepumpe og nål, der ekstruderer væske. Derefter programmerede han printeren til at indsætte nålen i oliesubstratet og injicere vand i et forudbestemt mønster.

"Vi kan presse væske fra en nål, og placer vandtråde hvor som helst vi ønsker det i tre dimensioner, "sagde Forth." Vi kan også pinge materialet med en ekstern kraft, som for en kort tid bryder supersopens stabilitet og ændrer formen på vandtrådene. Strukturerne er uendeligt omkonfigurerbare. "