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Ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums hat eine Methode entwickelt, um flüssige 3D-Strukturen herzustellen. Mithilfe eines umgebauten 3D-Druckers wurden Fäden aus Wasser in einem Silikonöl gedruckt. Anwendung könnte dieses neue Verfahren bei der Erstellung flüssiger Elektronik für flexible und biegsame Geräte finden.
In ihrer Studie haben die Wissenschaftler Wasserfäden mit einem Durchmesser von 10 µm bis 1 mm in verschiedenen spiralförmigen und verzweigten Formen in einem Silikonöl hergestellt. Somit wurden flüssige 3D-Strukturen in einer anderen Flüssigkeit realisiert. Das Material kann sich zudem seiner Umgebung anpassen und seine Form wiederholt ändern. Neben dem Einsatz für flüssige Elektronik sieht man auch die Möglichkeit diese Röhrchen chemisch abzustimmen um Moleküle darin fließen zu lassen. Dies würde zu neuen Methoden bei der Trennung von Molekülen oder zur präzisen Zuführung von Nanobauteilchen zu Verbindungen führen.
“Es ist eine neue Materialklasse die sich selbst neu konfigurieren kann und das Potential dazu hat, in individuelle flüssige Reaktionsgefäße für verschiedenste Anwendungen gedruckt werden zu können – von chemischer Synthese bis hin zum Transport von Ionen und Katalyse,” erklärt Tom Russell, Forscher am Berkeley Lab.
“Supersoap” als grenzflächenaktive Substanz
In einem ersten Schritt haben die Forscher eine Methode entwickelt, um die Wasserröhrchen mit einem speziellen Tensid aus Nanopartikel zu ummanteln, welche das Wasser im Inneren umschließen. Diese grenzflächenaktive Substanz nennen die Wissenschaftler auf Grund ihrer außergewöhnlichen Leistung “Supersoap”. Hergestellt wird die Supersoap durch das Auflösen von Gold-Nanopartikeln in Wasser und Polymerliganden in Öl. Beide Bestandteile möchten aneinander haften, jedoch auch in ihren bestehenden Medien aus Wasser bzw. Öl verbleiben.
Nachdem das Wasser also in das Öl injiziert wurde, binden sich die Liganden im Öl an einzelne Nanopartikel im Wasser und bilden so eine Nanopartikel-Supersoap, die wie Glas verschmilzt und eine stabile Begrenzung zwischen Öl und Wasser bildet. So entstehen flüssige Strukturen mit bestimmten Formen.
“Durch diese Stabilität können wir das Wasser in den Röhrchen dehnen, es behält jedoch seine Form. Oder wir können das Wasser in einen Ellipsoid umformen,” fügt Russell hinzu. “Wir haben diese Nanopartikel-Supersoap für den 3D-Druck von Wasserröhrchen verwendet, welche über Monate gehalten haben.”
Modifizierter 3D-Drucker
In einem nächsten Schritt wurde ein herkömmlicher 3D-Drucker umgebaut. Bestehende Bauteile zum Druck von Kunststoff wurden mit Spritzenpumpen und Nadeln ersetzt, um die Flüssigkeit zu extrudieren. Das Gerät wurde danach so programmiert, dass die Nadel in die Öl-Lösung eintaucht und Wasser in einer vorab bestimmten Form injiziert.
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Die Studie “Reconfigurable Printed Liquids” wurde im Fachjournal Advanced Materials veröffentlicht.
