Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har 3D-tryckt en helt flytande enhet som, med ett klick på en knapp, kan upprepade gånger konfigureras om på begäran för att tjäna ett brett spektrum av applikationer – från tillverkning av batterimaterial till screening av läkemedelskandidater.

"Det vi visade är anmärkningsvärt. Vår 3D-tryckta enhet kan programmeras för att utföra flera steg, komplexa kemiska reaktioner på begäran, sa Brett Helms, en stabsforskare vid Berkeley Labs Materials Sciences Division och Molecular Foundry, som ledde studien. "Det som är ännu mer fantastiskt är att denna mångsidiga plattform kan omkonfigureras för att effektivt och exakt kombinera molekyler för att bilda mycket specifika produkter, såsom organiska batterimaterial. "

Studiens resultat, som rapporterades i tidskriften Naturkommunikation , är det senaste i raden av experiment vid Berkeley Lab som tillverkar helt flytande material med en 3D-skrivare.

Förra året, en studie medförfattare av Helms och Thomas Russell, en gästforskare från University of Massachusetts i Amherst som leder programmet Adaptive Interfacial Assemblies Toward Structured Liquids i Berkeley Labs Materials Sciences Division, banade väg för en ny teknik för att skriva ut olika vätskestrukturer - från droppar till virvlande vätsketrådar - i en annan vätska.

"Efter den lyckade demonstrationen, ett gäng av oss samlades för att brainstorma om hur vi kunde använda flytande utskrift för att tillverka en fungerande enhet, "sa Helms." Då kom det upp för oss:Om vi ​​kan skriva ut vätskor i definierade kanaler och flöda innehåll genom dem utan att förstöra dem, då skulle vi kunna göra användbara fluidiska enheter för ett brett spektrum av applikationer, från nya typer av miniatyriserade kemiska laboratorier till till och med batterier och elektroniska enheter. "

För att göra den tredimensionella flytbara enheten, huvudförfattare Wenqian Feng, en postdoktor vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, designat ett speciellt mönstrat glassubstrat. När två vätskor - en innehåller lerpartiklar i nanoskala, en annan som innehåller polymerpartiklar – trycks på substratet, de kommer samman vid gränsytan mellan de två vätskorna och bildar inom millisekunder en mycket tunn kanal eller ett rör med en diameter på cirka 1 millimeter.

När kanalerna väl har bildats, katalysatorer kan placeras i olika kanaler i anordningen. Användaren kan sedan 3D-skriva broar mellan kanaler, koppla ihop dem så att en kemikalie som flödar genom dem möter katalysatorer i en specifik ordning, sätter igång en kaskad av kemiska reaktioner för att göra specifika kemiska föreningar. Och när den kontrolleras av en dator, denna komplexa process kan automatiseras "för att utföra uppgifter associerade med katalysatorplacering, bygga vätskebryggor inuti enheten, och köra reaktionssekvenser som behövs för att göra molekyler, " sa Russell.

Multitasking-enheten kan också programmeras att fungera som ett artificiellt cirkulationssystem som separerar molekyler som strömmar genom kanalen och automatiskt tar bort oönskade biprodukter medan den fortsätter att skriva ut en sekvens av broar till specifika katalysatorer, och utföra stegen för kemisk syntes.

"Formen och funktionerna hos dessa enheter begränsas endast av forskarens fantasi, " förklarade Helms. "Autonom syntes är ett växande intresseområde inom kemi- och materialgemenskaperna, och vår teknik för 3-D-utskriftsenheter för vätskeflödeskemi kan hjälpa till att spela en viktig roll för att etablera området."

Tillade Russell:"Kombinationen av materialvetenskap och kemisk expertis på Berkeley Lab, tillsammans med användarfaciliteter i världsklass tillgängliga för forskare från hela världen, och den unga talangen som dras till labbet är unik. Vi kunde inte ha utvecklat det här programmet någon annanstans."

Forskarna planerar nästa att elektrifiera enhetens väggar med hjälp av ledande nanopartiklar för att utöka de typer av reaktioner som kan utforskas. "Med vår teknik, vi tror att det också borde vara möjligt att skapa helvätskekretsar, bränsleceller, och även batterier, "sa Helms." Det har varit riktigt spännande för vårt team att kombinera fluidik och flödeskemi på ett sätt som är både användarvänligt och användarprogrammerbart. "