Forscher des Berkeley Lab haben ein vollständig flüssiges Gerät 3D-gedruckt
Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) von DOE haben ein vollständig flüssiges Gerät mit 3D-Druck gedruckt, das auf Knopfdruck wiederholt neu konfiguriert werden kann, um eine Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen – von der Herstellung von Batteriematerial bis hin zum Screening-Medikament Kandidaten.
“Was wir demonstriert haben, ist bemerkenswert. Unser 3D-bedrucktes Gerät kann so programmiert werden, dass komplexe, mehrstufige chemische Reaktionen bei Bedarf ausgeführt werden”, sagte Brett Helms, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Berkeley Lab-Abteilung für Materialwissenschaften und der Molecular Foundry, der die Studie leitete. “Noch erstaunlicher ist, dass diese vielseitige Plattform neu konfiguriert werden kann, um Moleküle effizient und präzise zu ganz speziellen Produkten wie beispielsweise organischen Batteriematerialien zu kombinieren.”
Die Ergebnisse der Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurden, sind die neuesten einer Reihe von Experimenten im Berkeley Lab, bei denen mit einem 3D-Drucker vollständig flüssige Materialien hergestellt werden.
Wir haben auch schon im März von einer Studie, die Helms und Thomas Russell, ein Gastwissenschaftler der University of Massachusetts in Amherst, geleitet haben berichtet.
“Nach dieser erfolgreichen Demonstration kamen einige von uns zusammen, um darüber nachzudenken, wie wir mit flüssigem Druck ein funktionierendes Gerät herstellen könnten”, sagte Helms. “Dann fiel uns ein: Wenn wir Flüssigkeiten in definierten Kanälen drucken und Inhalte durchlaufen lassen können, ohne sie zu zerstören, können wir nützliche Fluidgeräte für eine Vielzahl von Anwendungen herstellen, von neuartigen miniaturisierten chemischen Laboratorien bis hin zu Batterien und elektronischen Geräten Geräte.”
Um das 3D-druckbare Fluidikgerät herzustellen, entwickelte der Hauptautor Wenqian Feng, ein Postdoktorand in der Materials Sciences Division des Berkeley Lab, ein speziell strukturiertes Glassubstrat. Wenn zwei Flüssigkeiten – eine mit nanoskaligen Tonpartikeln, eine andere mit Polymerpartikeln – auf das Substrat gedruckt werden, kommen sie an der Grenzfläche der beiden Flüssigkeiten zusammen und bilden innerhalb von Millisekunden einen sehr dünnen Kanal oder eine Röhre mit einem Durchmesser von etwa 1 Millimeter.
Sobald die Kanäle gebildet sind, können Katalysatoren in verschiedenen Kanälen der Vorrichtung angeordnet werden. Der Benutzer kann dann 3D-Druckbrücken zwischen den Kanälen herstellen und diese so verbinden, dass eine durch sie fließende Chemikalie in einer bestimmten Reihenfolge auf Katalysatoren trifft und eine Kaskade chemischer Reaktionen auslöst, um bestimmte chemische Verbindungen herzustellen. Und wenn er von einem Computer gesteuert wird, kann dieser komplexe Prozess automatisiert werden, “um Aufgaben im Zusammenhang mit der Katalysatorplatzierung auszuführen, Flüssigkeitsbrücken im Gerät aufzubauen und Reaktionssequenzen auszuführen, die zur Herstellung von Molekülen erforderlich sind”, sagte Russell.
Die Multitasking-Vorrichtung kann auch so programmiert werden, dass sie wie ein künstliches Kreislaufsystem funktioniert, das die durch den Kanal fließenden Moleküle trennt und automatisch unerwünschte Nebenprodukte entfernt, während sie weiterhin eine Abfolge von Brücken zu bestimmten Katalysatoren druckt und die Schritte der chemischen Synthese durchführt.
“Die Form und die Funktionen dieser Geräte sind nur durch die Vorstellungskraft des Forschers begrenzt”, erklärte Helms. “Die autonome Synthese ist ein aufstrebendes Gebiet von Interesse in der Chemie und Materialgemeinschaft, und unsere Technik für 3D-Druckgeräte für All-Liquid-Flow-Chemie könnte dazu beitragen, eine wichtige Rolle bei der Etablierung des Feldes zu spielen.”
Russell fügte hinzu: “Die Kombination aus Fachwissen in den Bereichen Materialwissenschaft und Chemie im Berkeley Lab sowie erstklassigen Nutzereinrichtungen, die Forschern aus der ganzen Welt zur Verfügung stehen, und den jungen Talenten, die das Labor anzieht, sind einzigartig. Wir konnten es nicht haben dieses Programm woanders entwickelt.”
Als nächstes planen die Forscher, die Wände des Bauelements mit leitfähigen Nanopartikeln zu elektrifizieren, um die Arten von Reaktionen zu erweitern, die untersucht werden können. “Mit unserer Technik glauben wir, dass es auch möglich sein sollte, Schaltkreisläufe, Brennstoffzellen und sogar Batterien zu erstellen”, sagte Helms. “Es war wirklich aufregend für unser Team, Fluidik und Fließchemie auf benutzerfreundliche und programmierbare Weise zu kombinieren.”