据报道,来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员 3D 打印出一款全液体装置,只需点击一下按钮,就可以根据需求反复重新配置以满足从电池材料制作到药物筛选的广泛应用需求。

 

主导这项研究的伯克利实验室材料科学和分子工厂科学家 Brett Helms 表示,“我们所展示的这款装置是值得称道的。我们的 3D 打印装置可以根据需要进行编程,以执行多步骤、复杂的化学反应。更令人惊喜的是,这个多功能平台可以重新配置,以高效精准地组合分子,并形成非常特殊的产品,如有机电池材料。”

 

 

这项发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的研究成果,是伯克利实验室用 3D 打印机制作全液体材料的一系列实验中的最新成果。

 

去年,Helms 与来自马萨诸塞大学阿默斯特分校(University of Massachusetts at Amherst)的访问研究员 Thomas Russell 合著了一项研究成果,领导伯克利实验室材料科学部的自适应界面组件转向结构化液体项目,开创了在另一种液体中打印各种液体结构的新技术,从液滴到液体旋流线。

 

Helms 指出,“在成功演示后,我们一群人聚在一起集思广益,讨论如何利用液体印刷技术制造功能装置。然后我们突然想到,如果我们可以在界定通道内打印流体,流动内容流经通道而不会遭到破坏,我们就可以制作出适合多种应用的流体装置,从新型小型化学实验室到电池和电子设备。”

 

为了制作这种 3D 可印刷流体装置,伯克利实验室材料科学部门的博士后研究员兼论文主要作者 Wenqian Feng 设计了一款特殊图案的玻璃基板。当两种液体,一种含有纳米级粘土颗粒,另一种含有聚合物颗粒,被印刷到基板上时,他们在两种液体的交界处聚集,并在几毫秒内形成直径约为 1 毫米的非常薄的通道或管道。

 

一旦形成通道,催化剂可以放置在装置的不同通道内。然后,用户可以在通道之间 3D 打印桥接,将通道连接起来使得流经它们的化学品以特定顺序接触催化剂,引发一系列化学反应以产生特定的化合物。当由计算机控制时,这个复杂的过程可以自动“执行与催化剂放置相关的任务,在装置内构建液体介质桥接,并运行制造分子所需的反应序列。”Russell 补充道。

 

这款多任务装置还可以被编程为像人工循环系统般运作,分离流经通道的分子并自动去除不需要的副产品,同时继续打印特定催化物桥接序列并执行化学合成步骤。

 

Helms 解释道,“这些装置的形式和功能仅受限于研究人员的想象力,自主合成是化学和材料界的一个新兴领域,我们用于全液体流动化学的 3D 打印装置可以在该领域发挥重要作用。”

 

Russell 也补充说道,“伯克利实验室中材料科学和化学专业知识的结合,以及来自世界各地的研究人员可以共享世界一流的设施,包括实验室所聚集的年轻人才都是独一无二的。在其他地方我们不一定能开发出这一技术。”

 

研究人员接下来计划使用导电纳米粒子对该装置的内壁进行通电,以扩展可以探索的反应类型。Helms 表示,“凭借我们的技术,我们认为还有可能创建全液体电路、燃料电池甚至蓄电池。对我们的团队而言,以一种用户友好且用户可编程的方式将流体和流动化学结合起来真的非常令人振奋。”