Bro over koblede farvande:Forskere 3-D-printer laboratorium med fuld væske på en chip

Forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har 3-D-printet en flydende enhed, der, med et klik på en knap, kan gentagne gange omkonfigureres efter behov for at tjene en bred vifte af applikationer – fra fremstilling af batterimaterialer til screening af lægemiddelkandidater.

"Det, vi demonstrerede, er bemærkelsesværdigt. Vores 3-D-printede enhed kan programmeres til at udføre flere trin, komplekse kemiske reaktioner efter behov, " sagde Brett Helms, en stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og Molecular Foundry, der ledede undersøgelsen. "Det, der er endnu mere forbløffende, er, at denne alsidige platform kan omkonfigureres til effektivt og præcist at kombinere molekyler for at danne meget specifikke produkter, såsom organiske batterimaterialer."

Undersøgelsens resultater, som blev rapporteret i journalen Naturkommunikation , er det seneste i rækken af ​​eksperimenter hos Berkeley Lab, der fremstiller flydende materialer med en 3-D-printer.

Sidste år, en undersøgelse medforfattet af Helms og Thomas Russell, en gæsteforsker fra University of Massachusetts i Amherst, der leder Adaptive Interfacial Assemblys Toward Structured Liquids Program i Berkeley Labs Materials Sciences Division, banebrydende en ny teknik til at printe forskellige flydende strukturer - fra dråber til hvirvlende væsketråde - i en anden væske.

"Efter den vellykkede demonstration, en flok af os kom sammen for at brainstorme om, hvordan vi kunne bruge flydende print til at fremstille en fungerende enhed, " sagde Helms. "Så gik det op for os:Hvis vi kan printe væsker i definerede kanaler og flyde indhold gennem dem uden at ødelægge dem, så kunne vi lave nyttige fluidiske enheder til en bred vifte af applikationer, fra nye typer miniaturiserede kemiske laboratorier til endda batterier og elektroniske enheder."

For at lave den 3-D-printbare flydende enhed, hovedforfatter Wenqian Feng, en postdoc forsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, designet et specielt mønstret glasunderlag. Når to væsker - den ene indeholder nanoskala lerpartikler, en anden indeholdende polymerpartikler - er trykt på substratet, de kommer sammen ved grænsefladen mellem de to væsker og danner inden for millisekunder en meget tynd kanal eller et rør på ca. 1 millimeter i diameter.

Når kanalerne er dannet, katalysatorer kan placeres i forskellige kanaler i enheden. Brugeren kan derefter 3-D-printe bro mellem kanaler, forbinder dem, så et kemikalie, der strømmer gennem dem, støder på katalysatorer i en bestemt rækkefølge, sætter gang i en kaskade af kemiske reaktioner for at lave specifikke kemiske forbindelser. Og når det styres af en computer, denne komplekse proces kan automatiseres "for at udføre opgaver forbundet med katalysatorplacering, bygge væskebroer inde i enheden, og køre reaktionssekvenser, der er nødvendige for at lave molekyler, " sagde Russell.

Multitasking-enheden kan også programmeres til at fungere som et kunstigt kredsløbssystem, der adskiller molekyler, der strømmer gennem kanalen og automatisk fjerner uønskede biprodukter, mens den fortsætter med at udskrive en sekvens af broer til specifikke katalysatorer, og udføre trinene i kemisk syntese.

"Formen og funktionerne af disse enheder er kun begrænset af forskerens fantasi, " forklarede Helms. "Autonom syntese er et voksende interesseområde i kemi- og materialesamfundene, og vores teknik til 3-D-printenheder til flydende flowkemi kan hjælpe med at spille en vigtig rolle i etableringen af ​​feltet."

Tilføjede Russell:"Kombinationen af ​​materialevidenskab og kemiekspertise på Berkeley Lab, sammen med brugerfaciliteter i verdensklasse, der er tilgængelige for forskere fra hele verden, og det unge talent, der tiltrækkes af laboratoriet, er unikt. Vi kunne ikke have udviklet dette program andre steder."

Forskerne planlægger derefter at elektrificere enhedens vægge ved hjælp af ledende nanopartikler for at udvide de typer reaktioner, der kan udforskes. "Med vores teknik, vi mener, at det også burde være muligt at skabe flydende kredsløb, brændstofceller, og endda batterier, " sagde Helms. "Det har været rigtig spændende for vores team at kombinere fluidik og flowkemi på en måde, der både er brugervenlig og brugerprogrammerbar."