Geïnspireerd door de manier waarop planten water en voedingsstoffen opnemen en verdelen, Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een baanbrekende methode ontwikkeld voor het transporteren van vloeistoffen en gassen met behulp van 3D-geprint roosterontwerp en capillaire werkingsverschijnselen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur en stond op de omslag van de publicatie, LLNL-onderzoekers beschrijven 3D-geprinte micro-architecturale structuren die vloeistoffen kunnen bevatten en laten stromen om uitgebreide en gecontroleerde contacten tussen vloeistoffen en gassen te creëren. de bestelde, poreuze en open celstructuren vergemakkelijken door oppervlaktespanning aangedreven capillaire werking (de beweging van vloeistof door kleine poriën als gevolg van adhesie- en cohesiekrachten) in de eenheidscellen - vergelijkbaar met een boom die water uit de grond haalt of een papieren handdoek die een lekkage opzuigt - en vloeistof- en gastransport door de constructies mogelijk te maken.

Onderzoekers zeiden dat de doorbraaktechniek transformatieve en brede effecten zou kunnen hebben op tal van gebieden met meerfasige (gas/vloeistof/vaste) processen, met inbegrip van elektrochemische of biologische reactoren die worden gebruikt om kooldioxide of methaan om te zetten in energie, geavanceerde microfluïdica, zonne ontzilting, lucht filtratie, warmteoverdracht, transpiratiekoeling en de levering van vloeistoffen in omgevingen met weinig of geen zwaartekracht.

"Door deze aanpak te gebruiken, we kunnen geordende poreuze media ontwerpen en printen met veel controle over hoe vloeistoffen en gassen zich binnen deze structuren gedragen, "Zei hoofdauteur en LLNL-stafwetenschapper Nikola Dudukovic. "Poreuse media, zoals sponzen, papier of stoffen, hebben over het algemeen een ongeordende microstructuur en zijn daarom moeilijk analytisch en computationeel te beschrijven. Met cellulaire fluïdica kunt u, in zekere zin, maak een geordende 'spons, ' waar vloeistoffen en gassen precies gaan waar u ze wilt hebben."

Gebruikmakend van jarenlang laboratoriumonderzoek naar 3D-geprinte, hiërarchisch roosterontwerp en door LLNL ontwikkelde Large Area Projection Micro-stereo Lithography (LAPuSL)-technologie - een op licht gebaseerde printer die uiterst kleine functies op grote schaal kan produceren - onderzoekers hebben verschillende met vloeistof gevulde structuren gebouwd om verschillende soorten meerfasig transport en reactie verschijnselen.

De processen die ze demonstreerden waren onder meer absorptie (afvangen van gasvormige CO ₂ in een vloeistof), verdamping (het transport van vloeistof naar een gasfase) en transpiratie, waar wetenschappers aantoonden dat de structuren in staat waren zichzelf af te koelen door vloeistof in de atmosfeer te verdampen terwijl ze zichzelf opnieuw vulden vanuit een vloeistofreservoir, zoals hoe planten damp afgeven terwijl ze continu water uit de bodem aanvullen.

"We waren zeker geïnspireerd door de natuur, maar we erkenden dat de mens er bij lange na niet in geslaagd is de natuur in al zijn verfijnde complexiteit na te bootsen. Echter, dit is een stap op weg, " legde hoofdonderzoeker en onderzoeksingenieur Eric Duoss uit. "We begonnen in te zien dat we deterministisch konden bepalen hoe een vloeistof in de poreuze architectuur zou stromen door enkele van de lokale microschaalattributen van deze structuren te programmeren - het was een soort openbaring vanuit dat oogpunt . We ontdekten dat we niet alleen de rangschikking en verspreiding van vloeistoffen konden controleren, we konden ook de opstelling en verspreiding van gassen regelen. Als je controle hebt over beide, je kunt behoorlijk ongelooflijke dingen doen."

Het vermogen om nauwkeurige gas/vloeistof-interfaces en voorkeurstransportroutes te ontwerpen, terwijl ze controle hebben over transportsnelheden, stelt wetenschappers in staat om capillaire en andere stromings- en transportfenomenen experimenteel en computationeel te bestuderen, en mogelijk disciplines transformeren met meerfasige processen, inclusief traditionele microfluïdica, die voornamelijk worden gebruikt voor point-of-care gezondheidsdiagnostiek, organ-on-a-chip-apparaten en andere toepassingen, aldus onderzoekers.

"Dit is een heel andere manier van denken over een microfluïdische stroom, waar we veel lucht/vloeistof-interfaces hebben, " zei LLNL-onderzoeker en co-auteur Erika Fong. "Bijvoorbeeld, veel microfluïdische apparaten zijn ontworpen om biologische tests uit te voeren, maar worden niet gemakkelijk geadopteerd door biologen die over het algemeen open putplaten gebruiken, die u heel gemakkelijk handmatig kunt openen, in tegenstelling tot gesloten microfluïdische apparaten. We zien dit als een manier om de kloof tussen traditionele microfluïdica en open systemen te overbruggen."

LLNL-onderzoekers zeiden dat cellulaire fluïdische concepten de huidige microfluïdische technologie zouden kunnen verbeteren door gecontroleerd vloeistoftransport in complexe geometrieën in 3D mogelijk te maken, overwegende dat de huidige microfluïdische systemen doorgaans vlak en gesloten zijn, beperking van hun vermogen om meerfasenprocessen te reproduceren.

"Bij planten, water en voedingsstoffen worden getransporteerd door een centraal vaatstelsel naar bladeren die de gasoverdracht voor het metabolisme vergemakkelijken, " zei co-auteur en LLNL-onderzoeksingenieur Josh DeOtte. "Hier, we kijken naar beide functies die in één systeem zijn samengebracht - vloeistof- en gastransport - en dat koppelen aan drie dimensies in plaats van platte configuraties."

Om de integratie met traditionele microfluïdica te testen, LLNL-ingenieur en co-auteur Hawi Gemeda leidde actieve stroomexperimenten met behulp van spuitpompen om de stroom van vloeistoffen in een 3D-geprint apparaat te regelen en observeerde het stroomgedrag. De onderzoekers ontdekten dat voorkeursroutes konden worden geprogrammeerd door het type, grootte en dichtheid van de eenheidscellen, en ontdekten dat ze de vloeistofretentie onder actieve stroomomstandigheden konden verbeteren door een nauwkeurig structuurontwerp.

Deze mogelijkheid stelde de onderzoekers ook in staat om selectieve gebieden van de 3D-geprinte polymeerroosters te voorzien van geleidende en katalytisch actieve metalen coatings.

Naast het bevorderen van microfluïdica, onderzoekers zeiden dat cellulaire fluïdica veelbelovend zijn voor toepassingen in de ruimte, waar het vloeistoftransport mogelijk zou maken in afwezigheid van zwaartekracht, en bij het verzamelen van aerosolmonsters en gasfiltratie, vanwege het vermogen om het contact tussen vloeistof- en gasfasen nauwkeurig te regelen. Het zou ook de warmteoverdracht kunnen verbeteren door roosterontwerpen op te nemen waarmee structuren gedurende langere tijd gekoeld kunnen blijven.

Terwijl Lab-onderzoekers een lange lijst met plannen voor de technologie hebben, hun directe doel is het toepassen van cellulaire fluïdica op elektrochemische reactoren die worden gebruikt om koolstofdioxide om te zetten in bruikbare producten. Het proces omvat het toevoegen van elektronen, protonen en een katalysator voor CO ₂ complexe reacties ondergaan. Onderzoekers geloven dat cellulaire fluïdica meer controle kunnen bieden over het grensvlak tussen de gasvormige CO ₂ , vloeibaar elektrolyt en de metaalkatalysator, waar deze reacties plaatsvinden.

Het team onderzoekt ook het gebruik van cellulaire fluïdica in bioreactoren, waarin bacteriën gasvormig methaan consumeren en organische bijproducten uitscheiden. Cellulaire fluïdica kunnen worden gebruikt om extreem dunne wanden in de reactoren te creëren, waardoor de reactiviteit wordt verbeterd en wetenschappers meer bacteriën in de apparaten kunnen laden om de prestaties te verbeteren. Toekomstig werk is gepland in ontwerpoptimalisatie, vloeistof/mechanisch co-design, detectie van biologische bedreigingen of energetische materialen en zelfs geconstrueerde levende materialen.

"Het probleem met deze complexe omgevingen is dat we geen goede manier hebben gehad om modelsystemen te creëren om het begrip van de fundamentele wetenschap te vergemakkelijken. Bijvoorbeeld, we kunnen nog geen kunstmatige longen maken, waar je deze complexiteit hebt van het hebben van gassen, vloeistoffen en vaste stoffen samen aanwezig, " zei Duos, directeur van LLNL's Centre for Engineered Materials and Manufacturing. "Maar wat we nu hebben, is een platform om die fundamentele studies te doen die zo belangrijk zijn voor het creëren van begrip. Met dat hernieuwde begrip in de hand, we krijgen een ongelooflijke kans om het toe te passen."

Het werk werd gefinancierd in het kader van een door laboratorium gestuurd strategisch onderzoeks- en ontwikkelingsinitiatief "Manufacturing Molecules for the New Carbon Economy." Co-auteurs waren onder meer LLNL-wetenschappers Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis en Sarah Baker.