Ispirato dal modo in cui le piante assorbono e distribuiscono acqua e sostanze nutritive, I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno sviluppato un metodo innovativo per il trasporto di liquidi e gas utilizzando un design reticolare stampato in 3D e fenomeni di azione capillare.

In un articolo pubblicato oggi in Natura e presenti sulla copertina della pubblicazione, I ricercatori LLNL descrivono strutture micro-architettoniche stampate in 3D in grado di contenere e far scorrere fluidi per creare contatti estesi e controllati tra liquidi e gas. L'ordinato, le strutture porose e a celle aperte facilitano l'azione capillare guidata dalla tensione superficiale (il movimento del liquido attraverso i piccoli pori a causa delle forze di adesione e coesione) nelle celle unitarie, come un albero che estrae l'acqua dal terreno o un tovagliolo di carta che assorbe una fuoriuscita. e consentire il trasporto di liquidi e gas attraverso le strutture.

I ricercatori hanno affermato che la tecnica rivoluzionaria potrebbe avere impatti trasformativi e ad ampio raggio su numerosi campi che coinvolgono processi multifase (gas/liquido/solido), compresi i reattori elettrochimici o biologici utilizzati per convertire l'anidride carbonica o il metano in energia, microfluidica avanzata, dissalazione solare, filtrazione dell'aria, trasferimento termico, raffreddamento per traspirazione e erogazione di fluidi in ambienti a bassa o zero gravità.

"Utilizzando questo approccio, possiamo progettare e stampare supporti porosi ordinati con molti gradi di controllo su come i liquidi e i gas si comportano all'interno di queste strutture, " ha affermato l'autore principale e scienziato dello staff LLNL Nikola Dudukovic. "I mezzi porosi, come spugne, carta o tessuti, tendono generalmente ad avere una microstruttura disordinata e sono quindi difficili da descrivere in modo analitico e computazionale. La fluidica cellulare permette di, in un senso, creare una spugna ordinata, ' dove liquidi e gas viaggiano esattamente dove vuoi che vadano."

Sfruttando anni di ricerca di laboratorio sulla stampa 3D, progettazione reticolare gerarchica e tecnologia LAPuSL (Large Area Projection Micro-stereo Lithography) sviluppata da LLNL, una stampante basata sulla luce in grado di produrre elementi estremamente piccoli su larga scala, i ricercatori hanno costruito varie strutture piene di fluido per studiare diversi tipi di trasporto multifase e fenomeni di reazione.

I processi che hanno dimostrato includevano l'assorbimento (cattura di CO . gassosa ₂ in un liquido), evaporazione (trasporto di liquido in una fase gassosa) e traspirazione, dove gli scienziati hanno dimostrato che le strutture erano in grado di raffreddarsi facendo evaporare il liquido nell'atmosfera mentre si ricaricavano da un serbatoio di liquido, come il modo in cui le piante rilasciano vapore mentre reintegrano continuamente l'acqua dal terreno.

"Siamo stati sicuramente ispirati dalla natura, ma abbiamo riconosciuto che gli esseri umani non sono riusciti a replicare la natura in tutta la sua squisita complessità. Però, questo è un passo lungo la strada, " ha spiegato il ricercatore principale e ingegnere di ricerca Eric Duoss. "Abbiamo iniziato a vedere che potevamo controllare in modo deterministico come un liquido sarebbe fluito nell'architettura porosa programmando alcuni degli attributi locali su microscala di queste strutture:è stata una specie di epifania da quel punto di vista . Abbiamo scoperto che non solo potevamo controllare la disposizione e la propagazione dei liquidi, potremmo anche controllare la disposizione e la propagazione dei gas. Quando hai il controllo su entrambi, puoi fare cose davvero incredibili."

La capacità di progettare interfacce gas/liquido precise e percorsi di trasporto preferiti, pur mantenendo il controllo sulle velocità di trasporto, consentirà agli scienziati di studiare sperimentalmente e computazionalmente i capillari e altri fenomeni di flusso e trasporto, e potenzialmente trasformare discipline che coinvolgono processi multifase, compresa la microfluidica tradizionale, che vengono utilizzati principalmente per la diagnostica sanitaria point-of-care, dispositivi organ-on-a-chip e altre applicazioni, ricercatori hanno detto.

"Questo è un modo molto diverso di pensare a un flusso microfluidico, dove abbiamo molte interfacce aria/liquido, ", ha affermato la ricercatrice e coautrice del LLNL Erika Fong. "Ad esempio, molti dispositivi microfluidici sono progettati per eseguire analisi biologiche ma non sono facilmente adottabili dai biologi che generalmente utilizzano piastre a pozzetti aperti, a cui puoi accedere molto facilmente manualmente, a differenza dei dispositivi microfluidici chiusi. Lo vediamo come un modo che può aiutare a colmare il divario tra la microfluidica tradizionale e i sistemi aperti".

I ricercatori LLNL hanno affermato che i concetti di fluidica cellulare potrebbero migliorare l'attuale tecnologia di microfluidica consentendo il trasporto controllato di fluidi in geometrie complesse in 3D, considerando che i sistemi microfluidici odierni sono tipicamente planari e chiusi, limitando la loro capacità di riprodurre processi multifase.

"Nelle piante, acqua e sostanze nutritive vengono trasportate attraverso un sistema vascolare centrale alle foglie che facilitano il trasferimento di gas per il metabolismo, " ha detto il coautore e ingegnere di ricerca LLNL Josh DeOtte. "Qui, stiamo esaminando entrambe le funzioni riunite in un unico sistema, il trasporto di liquidi e gas, e legandolo in tre dimensioni anziché in configurazioni piatte".

Per testare l'integrazione con la microfluidica tradizionale, L'ingegnere e coautore di LLNL Hawi Gemeda ha condotto esperimenti di flusso attivo utilizzando pompe a siringa per controllare il flusso di liquidi in un dispositivo stampato in 3D e ha osservato il comportamento del flusso. I ricercatori hanno scoperto che i percorsi preferiti potrebbero essere programmati controllando il tipo, dimensione e densità delle celle unitarie, e hanno scoperto che potevano migliorare la ritenzione di liquidi in condizioni di flusso attivo grazie a un design preciso della struttura.

Questa capacità ha anche permesso ai ricercatori di modellare regioni selettive dei reticoli polimerici stampati in 3D con rivestimenti metallici conduttivi e cataliticamente attivi.

Oltre a far progredire la microfluidica, i ricercatori hanno affermato che la fluidica cellulare promette applicazioni nello spazio esterno, dove consentirebbe il trasporto di fluidi in assenza di gravità, e nella raccolta di campioni di aerosol e nella filtrazione dei gas, grazie alla capacità di controllare con precisione il contatto tra la fase liquida e quella gassosa. Potrebbe anche migliorare il trasferimento di calore incorporando progetti a reticolo che consentono alle strutture di rimanere raffreddate per lunghi periodi di tempo.

Mentre i ricercatori di Lab hanno una lunga lista di piani per la tecnologia, il loro obiettivo immediato è applicare la fluidica cellulare ai reattori elettrochimici utilizzati per convertire l'anidride carbonica in prodotti utili. Il processo prevede l'aggiunta di elettroni, protoni e un catalizzatore per CO ₂ subire reazioni complesse. I ricercatori ritengono che la fluidica cellulare potrebbe fornire un maggiore controllo sull'interfaccia tra la CO . gassosa ₂ , elettrolita liquido e il catalizzatore metallico, dove avvengono queste reazioni.

Il team sta anche esplorando l'uso della fluidica cellulare nei bioreattori, in cui i batteri consumano metano gassoso ed espellono sottoprodotti organici. La fluidica cellulare potrebbe essere utilizzata per creare pareti estremamente sottili nei reattori, migliorando così la reattività e consentendo agli scienziati di caricare più batteri nei dispositivi per migliorare le prestazioni. Il lavoro futuro è pianificato nell'ottimizzazione del design, co-design fluido/meccanico, rilevamento di minacce biologiche o materiali energetici e persino materiali viventi ingegnerizzati.

"Il problema con questi ambienti complessi è che non abbiamo avuto un buon modo per creare sistemi modello per facilitare la comprensione della scienza fondamentale. Ad esempio, non possiamo ancora creare polmoni artificiali, dove hai questa complessità di avere gas, liquidi e solidi co-presenti, " disse Duos, direttore del Center for Engineered Materials and Manufacturing di LLNL. "Ma ora quello che abbiamo è una piattaforma per fare quegli studi fondamentali che sono così importanti per creare comprensione. Con quella nuova comprensione in mano, avremo un'incredibile opportunità di applicarlo."

Il lavoro è stato finanziato nell'ambito di un'iniziativa strategica di ricerca e sviluppo diretta dal laboratorio "Produzione di molecole per la nuova economia del carbonio". I coautori includevano gli scienziati LLNL Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis e Sarah Baker.