Inspirerad av hur växter absorberar och fördelar vatten och näringsämnen, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har utvecklat en banbrytande metod för att transportera vätskor och gaser med hjälp av 3D-tryckta gitterdesign och kapillära verkningsfenomen.

I en artikel publicerad idag Natur och med på publikationens omslag, LLNL-forskare beskriver 3D-tryckta mikroarkitekterade strukturer som kan innehålla och flyta vätskor för att skapa omfattande och kontrollerade kontakter mellan vätskor och gaser. Den beställda, porösa och öppna cellstrukturer underlättar ytspänningsdriven kapillärverkan (rörelse av vätska men små porer på grund av vidhäftnings- och sammanhållningskrafter) i enhetens celler-liknande ett träd som drar vatten från jorden eller en pappershandduk som suger upp ett spill- och möjliggör vätske- och gastransport genom strukturerna.

Forskare sa att genombrottstekniken kan ha transformativa och omfattande effekter på många områden som involverar flerfas (gas/vätska/fasta) processer, inklusive elektrokemiska eller biologiska reaktorer som används för att omvandla koldioxid eller metan till energi, avancerad mikrofluidik, solavsaltning, luftfiltrering, värmeöverföring, transpirationskylning och tillförsel av vätskor i miljöer med låg eller tyngdkraft.

"Med denna metod, vi kan designa och skriva ut beställda porösa medier med många grader av kontroll över hur vätskor och gaser beter sig inom dessa strukturer, "sade huvudförfattaren och LLNL -personalvetaren Nikola Dudukovic." Porösa medier - som svampar eller papper eller tyger - tenderar i allmänhet att ha en störd mikrostruktur och är därför svåra att beskriva analytiskt och beräkningsmässigt. Cellular fluidics låter dig, på sätt och vis, skapa en beställd svamp, "där vätskor och gaser reser exakt dit du vill att de ska gå."

Utnyttja år av laboratorieforskning i 3D-tryckta, hierarkisk gitterdesign och LLNL-utvecklad Large Area Projection Micro-stereo Lithography (LAPuSL) -teknologi-en ljusbaserad skrivare som kan producera extremt små funktioner i stor skala-forskare byggde olika vätskefyllda strukturer för att studera olika typer av flerfasstransport och reaktionsfenomen.

De processer de visade inkluderade absorption (fånga gasformig CO ₂ i en vätska), avdunstning (transport av vätska till en gasfas) och transpiration, där forskare visade att strukturerna kunde kyla sig genom att förånga vätska till atmosfären samtidigt som de fyllde på sig från en vätskebehållare, som hur växter släpper ut ånga medan de kontinuerligt fyller på vatten från jorden.

"Vi var verkligen inspirerade av naturen, men vi insåg att människor inte har replikerat naturen i all sin utsökta komplexitet. Dock, detta är ett steg på vägen, "förklarade huvudutredaren och forskningsingenjören Eric Duoss." Vi började se att vi deterministiskt kunde styra hur en vätska skulle strömma in i den porösa arkitekturen genom att programmera några av de lokala mikroskalaegenskaperna hos dessa strukturer - det var en slags epiphany ur den synvinkeln . Vi fann att vi inte bara kunde kontrollera arrangemang och spridning av vätskor, vi kunde också kontrollera arrangemanget och spridningen av gaser. När du har kontroll över båda, du kan göra ganska otroliga saker. "

Möjligheten att utforma exakta gas/vätskegränssnitt och föredragna transportvägar samtidigt som de visar kontroll över transporthastigheter gör det möjligt för forskare att experimentellt och beräknat studera kapillär- och andra flödes- och transportfenomen, och potentiellt omvandla discipliner som involverar flerfasprocesser, inklusive traditionell mikrofluidik, som främst används för hälsodiagnostik, organ-on-a-chip-enheter och andra applikationer, sa forskare.

"Detta är ett helt annat sätt att tänka på ett mikrofluidiskt flöde, där vi har många luft/vätskegränssnitt, "sa LLNL-forskaren och medförfattaren Erika Fong." Till exempel många mikrofluidiska enheter är utformade för att göra biologiska analyser men antas inte lätt av biologer som i allmänhet använder öppna brunnplattor, som du enkelt kan komma åt manuellt, till skillnad från slutna mikrofluidiska enheter. Vi ser detta som ett sätt som kan hjälpa till att överbrygga klyftan mellan traditionell mikrofluidik och öppna system. "

LLNL -forskare sa att cellulära fluidik -koncept kan förbättra nuvarande mikrofluidik -teknik genom att möjliggöra kontrollerad vätsketransport i komplexa geometrier i 3D, medan dagens mikrofluidiska system vanligtvis är plana och inneslutna, begränsa deras förmåga att reproducera flerfasprocesser.

"I växter, vatten och näringsämnen transporteras genom en central kärl till blad som underlättar gasöverföring för metabolism, "sa medförfattare och LLNL-forskningsingenjör Josh DeOtte." Här, vi tittar på båda dessa funktioner rullade in i ett system - vätske- och gastransport - och binder det i tre dimensioner snarare än platta konfigurationer. "

För att testa integration med traditionell mikrofluidik, LLNL-ingenjör och medförfattare Hawi Gemeda ledde aktiva flödesförsök med sprutpumpar för att styra flödet av vätskor till en 3D-tryckt enhet och observerade flödesbeteendet. Forskarna fann att föredragna vägar kunde programmeras genom att styra typen, enhetscellernas storlek och densitet, och upptäckte att de kunde förbättra vätskeretention under aktiva flödesförhållanden genom exakt konstruktion.

Denna förmåga gjorde det också möjligt för forskarna att mönstra selektiva områden i de 3D-tryckta polymergitterna med ledande och katalytiskt aktiva metalliska beläggningar.

Förutom att utveckla mikrofluidik, forskare sa att cellulär fluidik visar löfte för applikationer i yttre rymden, där det skulle möjliggöra vätsketransport i frånvaro av gravitation, och vid aerosolprovtagning och gasfiltrering, på grund av förmågan att exakt styra kontakten mellan vätske- och gasfaser. Det kan också förbättra värmeöverföringen genom att införliva gitterkonstruktioner som tillåter strukturer att förbli svalna under längre tidsperioder.

Medan labbforskare har en lång lista med planer för tekniken, deras omedelbara mål är att tillämpa cellulär fluidik på elektrokemiska reaktorer som används för att omvandla koldioxid till användbara produkter. Processen innebär att man lägger till elektroner, protoner och en katalysator för CO ₂ att genomgå komplexa reaktioner. Forskare tror att cellulär fluidik kan ge större kontroll över gränssnittet mellan den gasformiga CO ₂ , flytande elektrolyt och metallkatalysatorn, där dessa reaktioner äger rum.

Teamet undersöker också användningen av cellulär fluidik i bioreaktorer, där bakterier konsumerar gasformig metan och utsöndrar organiska biprodukter. Cellulär fluidik kan användas för att skapa extremt tunna väggar i reaktorerna, därigenom förbättras reaktiviteten och gör det möjligt för forskare att ladda fler bakterier i enheterna för att förbättra prestanda. Framtidsarbete planeras med designoptimering, flytande/mekanisk samdesign, upptäckt av biologiska hot eller energiska material och till och med konstruerade levande material.

"Problemet med dessa komplexa miljöer är att vi inte har haft ett bra sätt att skapa modellsystem för att underlätta förståelsen av den grundläggande vetenskapen. Till exempel, vi kan ännu inte göra konstgjorda lungor, där du har denna komplexitet att ha gaser, vätskor och fasta substanser samtidigt, sa Duoss, chef för LLNL:s centrum för konstruerade material och tillverkning. "Men nu har vi en plattform för att göra de grundläggande studier som är så viktiga för att skapa förståelse. Med den nyvunna förståelsen i handen, vi kommer att ha en otrolig möjlighet att tillämpa den. "

Arbetet finansierades under ett Laboratory Directed Research and Development Strategic Initiative "Manufacturing Molecules for the New Carbon Economy". Medförfattare inkluderade LLNL-forskare Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis och Sarah Baker.