Tage signaler fra naturen, banebrydende cellulær fluidics-teknologi kan have omfattende konsekvenser

Inspireret af den måde, planter optager og distribuerer vand og næringsstoffer på, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har udviklet en banebrydende metode til transport af væsker og gasser ved hjælp af 3D-printet gitterdesign og kapillarvirkningsfænomener.

I et papir offentliggjort i dag i Natur og vist på publikationens forside, LLNL-forskere beskriver 3D-printede mikroarkitekterede strukturer, der er i stand til at indeholde og strømmende væsker for at skabe omfattende og kontrollerede kontakter mellem væsker og gasser. Den bestilte, porøse og åbne cellestrukturer letter overfladespændingsdrevet kapillærvirkning (væskes bevægelse gennem små porer på grund af adhæsions- og kohæsionskræfter) i enhedscellerne – beslægtet med et træ, der trækker vand fra jorden eller et papirhåndklæde, der opsuger et spild – og muliggør transport af væske og gas gennem strukturerne.

Forskere sagde, at gennembrudsteknikken kunne have transformative og vidtrækkende virkninger på adskillige felter, der involverer flerfasede (gas/væske/faste) processer, herunder elektrokemiske eller biologiske reaktorer, der anvendes til at omdanne kuldioxid eller metan til energi, avanceret mikrofluidik, solafsaltning, luftfiltrering, varmeoverførsel, transpirationskøling og levering af væsker i miljøer med lav eller tyngdekraft.

"Ved at bruge denne tilgang, vi kan designe og udskrive bestilte porøse medier med mange grader af kontrol over, hvordan væsker og gasser opfører sig i disse strukturer, " sagde hovedforfatter og LLNL-medarbejder Nikola Dudukovic. "Porøse medier - som svampe eller papir eller stoffer - har generelt en tendens til at have uordnet mikrostruktur og er derfor vanskelige at beskrive analytisk og beregningsmæssigt. Cellulær fluidik giver dig mulighed for, i en vis forstand, oprette en bestilt 'svamp, ', hvor væsker og gasser rejser præcis, hvor du vil have dem hen."

Udnyttelse af mange års laboratorieforskning i 3D-printet, hierarkisk gitterdesign og LLNL-udviklet Large Area Projection Micro-stereo Lithography (LAPuSL) teknologi – en lysbaseret printer, der kan producere ekstremt små funktioner i stor skala – forskerne byggede forskellige væskefyldte strukturer for at studere forskellige former for multifase transport og reaktionsfænomener.

De processer, de demonstrerede, omfattede absorption (opsamling af gasformig CO ₂ til en væske), fordampning (transport af væske til en gasfase) og transpiration, hvor videnskabsmænd viste, at strukturerne var i stand til at køle sig selv ved at fordampe væske til atmosfæren, mens de genopfyldte sig selv fra et væskereservoir, som hvordan planter frigiver damp, mens de løbende genopfylder vand fra jorden.

"Vi blev bestemt inspireret af naturen, men vi erkendte, at mennesker er kommet langt fra at kopiere naturen i al dens udsøgte kompleksitet. Imidlertid, dette er et skridt på vejen, " forklarede hovedforsker og forskningsingeniør Eric Duoss. "Vi begyndte at se, at vi deterministisk kunne kontrollere, hvordan en væske ville flyde ind i den porøse arkitektur ved at programmere nogle af de lokale mikroskala-attributter for disse strukturer - det var en slags åbenbaring fra det synspunkt. . Vi fandt ud af, at vi ikke kun kunne kontrollere arrangementet og udbredelsen af ​​væsker, vi kunne også kontrollere arrangementet og udbredelsen af ​​gasser. Når du har kontrol over begge, du kan gøre nogle ret utrolige ting."

Evnen til at designe præcise gas/væske-grænseflader og foretrukne transportveje og samtidig udvise kontrol over transporthastigheder vil give forskere mulighed for eksperimentelt og beregningsmæssigt at studere kapillær- og andre strømnings- og transportfænomener, og potentielt transformere discipliner, der involverer flerfasede processer, herunder traditionel mikrofluidik, der primært bruges til sundhedsdiagnostik, organ-på-en-chip-enheder og andre applikationer, sagde forskere.

"Dette er en meget anderledes måde at tænke på et mikrofluidisk flow, hvor vi har en masse luft/væske grænseflader, " sagde LLNL-forsker og medforfatter Erika Fong. "F.eks. mange mikrofluidiske enheder er designet til at udføre biologiske assays, men er ikke let at adoptere af biologer, der generelt bruger plader med åbne brønde, som du nemt kan få adgang til manuelt, i modsætning til lukkede mikrofluidiske enheder. Vi ser dette som en måde, der kan hjælpe med at bygge bro mellem traditionel mikrofluidik og åbne systemer."

LLNL-forskere sagde, at cellulære fluidics-koncepter kunne forbedre den nuværende mikrofluidikteknologi ved at tillade kontrolleret væsketransport i komplekse geometrier i 3D, hvorimod nutidens mikrofluidiske systemer typisk er plane og lukkede, begrænser deres evne til at reproducere flerfasede processer.

"I planter, vand og næringsstoffer transporteres gennem en central vaskulatur til blade, der letter gasoverførsel til metabolisme, " sagde medforfatter og LLNL forskningsingeniør Josh DeOtte. "Her, vi ser på begge disse funktioner rullet ind i ét system - væske- og gastransport - og binder det til tre dimensioner i stedet for flade konfigurationer."

For at teste integration med traditionel mikrofluidik, LLNL-ingeniør og medforfatter Hawi Gemeda ledede aktive flow-eksperimenter ved hjælp af sprøjtepumper til at kontrollere strømmen af ​​væsker ind i en 3D-printet enhed og observerede flowadfærden. Forskerne fandt ud af, at foretrukne veje kunne programmeres ved at kontrollere typen, størrelse og tæthed af enhedscellerne, og opdagede, at de kunne forbedre væskeretentionen under aktive strømningsforhold ved præcist strukturdesign.

Denne evne tillod også forskerne at mønstre selektive områder af de 3D-printede polymergitre med ledende og katalytisk aktive metalliske belægninger.

Udover at fremme mikrofluidik, forskere sagde, at cellulær fluidik viser lovende for applikationer i det ydre rum, hvor det ville tillade væsketransport i fravær af tyngdekraft, og i aerosolprøveindsamling og gasfiltrering, på grund af evnen til præcist at kontrollere kontakt mellem væske- og gasfaser. Det kan også forbedre varmeoverførslen ved at inkorporere gitterdesign, der tillader strukturer at forblive afkølede over længere perioder.

Mens laboratorieforskere har en lang liste af planer for teknologien, deres umiddelbare mål er at anvende cellulær fluidik til elektrokemiske reaktorer, der bruges til at omdanne kuldioxid til nyttige produkter. Processen involverer tilføjelse af elektroner, protoner og en katalysator for CO ₂ at gennemgå komplekse reaktioner. Forskere mener, at cellulær fluidik kunne give større kontrol over grænsefladen mellem den gasformige CO ₂ , flydende elektrolyt og metalkatalysatoren, hvor disse reaktioner finder sted.

Holdet udforsker også brugen af ​​cellulære fluidics i bioreaktorer, hvor bakterier indtager gasformig metan og udskiller organiske biprodukter. Cellulær fluidik kunne bruges til at skabe ekstremt tynde vægge i reaktorerne, derved forbedrer reaktiviteten og gør det muligt for forskere at indlæse flere bakterier i enhederne for at forbedre ydeevnen. Der er planlagt fremtidigt arbejde med designoptimering, væske/mekanisk co-design, påvisning af biologiske trusler eller energiske materialer og endda konstruerede levende materialer.

"Problemet med disse komplekse miljøer er, at vi ikke har haft en god måde at skabe modelsystemer for at lette forståelsen af ​​den grundlæggende videnskab. F.eks. vi kan endnu ikke lave kunstige lunger, hvor du har denne kompleksitet ved at have gasser, væsker og faste stoffer er samtidig tilstede, " sagde Duoss, direktør for LLNL's Center for Engineered Materials and Manufacturing. "Men nu har vi en platform til at lave de grundlæggende undersøgelser, der er så vigtige for at skabe forståelse. Med den nyfundne forståelse i hånden, vi vil have en utrolig mulighed for at anvende det."

Arbejdet blev finansieret under et laboratoriestyret forsknings- og udviklingsstrategisk initiativ "Fremstilling af molekyler til den nye kulstoføkonomi." Medforfattere inkluderede LLNL-forskerne Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis og Sarah Baker.