科学家使用3D打印全液体设备制造全液体电路或燃料电池

5月14日，记者了解到，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员使用3D打印全液体设备，只需点击一下按钮，就可以根据需要反复重新配置，以满足广泛的应用需求 - 从制作电池材料到筛选候选药物。“我们展示的是非凡的。我们的3D打印设备可以编程，按需执行多步骤，复杂的化学反应，”负责该研究的伯克利实验室材料科学部和分子铸造部的科学家Brett Helms说。“更令人惊奇的是，这个多功能平台可以重新配置，以高效精确地组合分子，形成非常特殊的产品，如有机电池材料。”

这项研究的结果发表在Nature Communications杂志上，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。

这种新型3D打印机能够创造出比传统3D打印机更流畅、更灵活、更复杂的物体。它可以用新的材料将已经存在的物体包裹起来。例如，给金属螺丝刀轴增加一个手柄，这是目前打印机难以做到的。研究人员说，这项技术有可能改变从假肢到眼镜镜片的设计和制造方式。

去年，由赫尔姆斯和马萨诸塞大学阿默斯特分校的访问研究员托马斯·拉塞尔共同撰写了一项研究，他是伯克利实验室材料科学部领导的结构化液体自适应界面组件项目的先驱，开创了一种印刷各种液体结构的新技术。 - 从液滴到液体旋转的螺纹 - 在另一种液体中。

赫尔姆斯说：“在那次成功的演示之后，我们聚在一起集思广益，讨论如何使用液体印刷来制造功能正常的设备。”“然后它发生在我们身上：如果我们可以在确定的通道中打印液体并通过它们流动内容而不会破坏它们，那么我们就可以制造出适用于各种应用的有用流体设备，从新型小型化学实验室到电池和电子设备。设备。”

除了需要复杂的计算才能得到准确的形状和强度之外，研究人员面临的另一个主要挑战是如何形成一种在少量光线下保持液态的物质，但当暴露于大量光线时，它就会反应成固体。

加州大学伯克利分校泰勒实验室的研究生Hossein Heidari说：“我们的技术几乎不会产生任何材料浪费，而未固化的材料是100%可重复使用的。”他也是这项研究的作者之一。

为了制作可打印3D的流体设备，伯克利实验室材料科学部的博士后研究员，主要作者Wenqian Feng设计了一种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 - 被印刷到基底上时，它们在两种液体的界面处聚集在一起，并在几毫秒内形成直径约1毫米的非常薄的通道或管。

新型打印机的灵感来自计算机断层扫描(CT)，它可以帮助医生定位身体内的肿瘤和骨折。CT扫描从不同角度将X射线或其他类型的电磁辐射投射到人体内。通过对能量传输模式的分析，揭示了物体的几何特征。

一旦形成通道，催化剂可以放置在装置的不同通道中。然后，用户可以在通道之间3D打印桥接件，将它们连接起来，使得流过它们的化学品以特定顺序遇到催化剂，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，在设备内构建液桥，并运行制造分子所需的反应序列，”Russell说。

多任务装置还可以被编程为像人工循环系统一样工作，该系统分离流过通道的分子并在其继续将特定催化剂的桥连接序列打印时自动去除不需要的副产物，并执行化学合成步骤。

“这些设备的形式和功能仅受研究人员的想象力限制，”赫尔姆斯解释说。“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打印设备技术可以帮助在建立该领域中发挥重要作用。”

Russell补充说：“伯克利实验室的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使用世界一流的用户设施，以及吸引到实验室的年轻人才是独一无二的。我们不可能有在其他地方开发了这个程序。“

研究人员接下来计划使用导电纳米粒子对装置的壁进行通电，以扩大可以探索的反应类型。赫尔姆斯说：“凭借我们的技术，我们认为应该可以制造全液体电路，燃料电池甚至电池。”“我们的团队将流体和流动化学结合起来，既方便用户又可用户编程，这真是令人兴奋。”