I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE hanno stampato in 3-D un dispositivo completamente liquido che, con il clic di un pulsante, può essere ripetutamente riconfigurato su richiesta per servire un'ampia gamma di applicazioni, dalla produzione di materiali per batterie allo screening dei candidati ai farmaci.

"Ciò che abbiamo dimostrato è notevole. Il nostro dispositivo stampato in 3D può essere programmato per eseguire multistep, reazioni chimiche complesse su richiesta, " disse Brett Helms, uno scienziato del personale della divisione di scienze dei materiali e della fonderia molecolare del Berkeley Lab, che ha condotto lo studio. "La cosa ancora più sorprendente è che questa piattaforma versatile può essere riconfigurata per combinare in modo efficiente e preciso le molecole per formare prodotti molto specifici, come i materiali organici delle batterie."

I risultati dello studio, che sono stati riportati nel giornale Comunicazioni sulla natura , è l'ultimo di una serie di esperimenti al Berkeley Lab che fabbricano materiali completamente liquidi con una stampante 3D.

L'anno scorso, uno studio co-autore di Helms e Thomas Russell, un ricercatore in visita dell'Università del Massachusetts ad Amherst che guida il programma Adaptive Interface Assemblies Toward Structured Liquids nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha aperto la strada a una nuova tecnica per stampare varie strutture liquide, dalle goccioline ai fili vorticosi di liquido, all'interno di un altro liquido.

"Dopo quella dimostrazione di successo, un gruppo di noi si è riunito per fare un brainstorming su come utilizzare la stampa a liquido per fabbricare un dispositivo funzionante, " disse Helms. "Allora ci venne in mente:se possiamo stampare liquidi in canali definiti e far scorrere il contenuto attraverso di essi senza distruggerli, quindi potremmo realizzare utili dispositivi fluidici per una vasta gamma di applicazioni, da nuovi tipi di laboratori chimici miniaturizzati a persino batterie e dispositivi elettronici."

Per realizzare il dispositivo fluidico stampabile in 3D, autore principale Wenqian Feng, un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, progettato un substrato di vetro appositamente modellato. Quando due liquidi, uno contenente particelle di argilla su scala nanometrica, un altro contenente particelle polimeriche, sono stampati sul substrato, si uniscono all'interfaccia dei due liquidi e in pochi millisecondi formano un canale o tubo molto sottile di circa 1 millimetro di diametro.

Una volta formati i canali, i catalizzatori possono essere posizionati in diversi canali del dispositivo. L'utente può quindi stampare in 3D i ponti tra i canali, collegandoli in modo che una sostanza chimica che scorre attraverso di essi incontri catalizzatori in un ordine specifico, innescando una cascata di reazioni chimiche per creare composti chimici specifici. E quando controllato da un computer, questo complesso processo può essere automatizzato "per eseguire attività associate al posizionamento del catalizzatore, costruire ponti liquidi all'interno del dispositivo, ed eseguire le sequenze di reazione necessarie per creare molecole, " ha detto Russel.

Il dispositivo multitasking può anche essere programmato per funzionare come un sistema circolatorio artificiale che separa le molecole che fluiscono attraverso il canale e rimuove automaticamente i sottoprodotti indesiderati mentre continua a stampare una sequenza di ponti verso catalizzatori specifici, ed eseguire le fasi della sintesi chimica.

"La forma e le funzioni di questi dispositivi sono limitate solo dall'immaginazione del ricercatore, " ha spiegato Helms. "La sintesi autonoma è un'area di interesse emergente nelle comunità della chimica e dei materiali, e la nostra tecnica per i dispositivi di stampa 3D per la chimica del flusso completamente liquido potrebbe aiutare a svolgere un ruolo importante nella creazione del campo".

Russell ha aggiunto:"La combinazione di scienza dei materiali ed esperienza in chimica al Berkeley Lab, insieme a strutture per gli utenti di livello mondiale a disposizione dei ricercatori di tutto il mondo, e il giovane talento che è attratto dal Lab è unico. Non avremmo potuto sviluppare questo programma da nessun'altra parte".

I ricercatori hanno in programma di elettrificare le pareti del dispositivo utilizzando nanoparticelle conduttive per espandere i tipi di reazioni che possono essere esplorate. "Con la nostra tecnica, pensiamo che dovrebbe anche essere possibile creare circuiti completamente liquidi, celle a combustibile, e anche batterie, " ha affermato Helms. "È stato davvero entusiasmante per il nostro team combinare fluidica e chimica del flusso in un modo che fosse allo stesso tempo intuitivo e programmabile dall'utente".