Forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat ett sätt att skriva ut 3D-strukturer som helt består av vätskor. Med en modifierad 3D-skrivare, de injicerade vattentrådar i silikonolja - skulpterande rör gjorda av en vätska i en annan vätska.

De föreställer sig att deras helt flytande material kan användas för att konstruera flytande elektronik som är flexibel, töjbara enheter. Forskarna förutser också att kemiskt tuna rören och flödande molekyler genom dem, vilket leder till nya sätt att separera molekyler eller exakt leverera byggstenar i nanoskala till byggnader som är under konstruktion.

Forskarna har tryckt vattentrådar mellan 10 mikron och 1 millimeter i diameter, och i en mängd olika spiral- och förgreningsformer upp till flera meters längd. Vad mer, materialet kan anpassa sig till sin omgivning och upprepade gånger ändra form.

"Det är en ny klass av material som kan omkonfigurera sig själv, och det har potential att anpassas till flytande reaktionskärl för många användningsområden, från kemisk syntes till jontransport till katalys, "sa Tom Russell, en gästforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. Han utvecklade materialet med Joe Forth, en postdoktor inom materialvetenskapsavdelningen, liksom andra forskare från Berkeley Lab och flera andra institutioner. De rapporterar sin forskning den 24 mars i tidningen Avancerade material .

Materialet har sitt ursprung i två framsteg:lära sig att skapa vätskerör inuti en annan vätska, och sedan automatisera processen.

För det första steget, forskarna utvecklade ett sätt att täcka vattenrör i ett speciellt nanopartikel-härledt ytaktivt medel som låser vattnet på plats. Det ytaktiva ämnet, i huvudsak tvål, förhindrar att rören bryts upp till droppar. Deras tensid är så bra på sitt jobb, forskarna kallar det en nanopartikel supersåpa.

Supersålen uppnåddes genom att dispergera guldnanopartiklar i vatten och polymerligander i olja. Guldnanopartiklarna och polymerliganderna vill fästa vid varandra, men de vill också stanna kvar i sina respektive vatten- och oljemedier. Liganderna utvecklades med hjälp av Brett Helms vid Molecular Foundry, en DOE Office of Science User Facility som ligger på Berkeley Lab.

I praktiken, strax efter att vattnet har injicerats i oljan, dussintals ligander i oljan fäster till enskilda nanopartiklar i vattnet, bildar en nanopartikel supersåpa. Dessa supersoaps sylt ihop och förglasas, som glas, som stabiliserar gränssnittet mellan olja och vatten och låser vätskekonstruktionerna på plats.

"Denna stabilitet innebär att vi kan sträcka ut vatten i ett rör, och det förblir ett rör. Eller så kan vi forma vatten till en ellipsoid, och det förblir en ellipsoid, "sade Russell." Vi har använt dessa nanopartikelsuperöppningar för att skriva ut vattenrör som håller i flera månader. "

Därefter kom automatisering. Forth modifierade en 3D-skrivare från hyllan genom att ta bort komponenterna som är avsedda att skriva ut plast och ersätta dem med en sprutpump och nål som extruderar vätska. Han programmerade sedan skrivaren att sätta in nålen i oljesubstratet och injicera vatten i ett förutbestämt mönster.

"Vi kan pressa vätska från en nål, och placera vattentrådar var som helst vi vill i tre dimensioner, "sa Forth." Vi kan också pinga materialet med en yttre kraft, som för en stund bryter supersopans stabilitet och ändrar formen på vattentrådarna. Strukturerna är oändligt omkonfigurerbara. "