Laboratorio nazionale Lawrence Berkeley: i ricercatori utilizzano la stampa liquido-in-liquido per creare dispositivi fluidodinamici 3D
La miscelazione di olio e acqua è in genere qualcosa per cui la maggior parte di noi non ha alcuna utilità, con i due noti per essere liquidi immiscibili – il che significa che non si combinano insieme e alla fine si separano in strati. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory stanno attualmente studiando come questi tipi di miscele potrebbero essere utili in una varietà di diverse applicazioni scientifiche. I loro risultati sono discussi in un articolo pubblicato di recente, ” Sfruttare la stampa liquido-in-liquido e substrati micropatternati per fabbricare dispositivi fluidici tridimensionali tutti liquidi “, scritto da Wenqian Feng, Yu Chai, Joe Forth, Paul D. Ashby, Thomas P. Russell e Brett A. Helms.
Nell’imbrigliare le strutture liquide per creare dispositivi fluidici 3D, i ricercatori hanno spiegato che un tale esercizio è un “paradigma del design emergente” per i chimici che oggi sono interessati a manipolare la materia soffice e ad escogitare modi per produrli su richiesta.
Dispositivi fluidici interamente liquidi stabilizzati dalle membrane NPS. uno schema di un dispositivo fluidico completamente liquido costituito da fasi liquide immiscibili confinate nello spazio utilizzando substrati micropattern superidrofobi-superidrofili. I tensioattivi nanoclay-polimero (NPS) si autoassemblano all’interfaccia liquido-liquido, formando una parete elastica che consente all’architettura interamente liquida di mantenere l’integrità mentre il fluido viene pompato attraverso il canale. b Evoluzione temporale della tensione interfacciale (IFT) di dispersioni acquose di nanoclay (0,5, 5 e 10 mg mL-1, pH 7,0) introdotta in soluzioni di H2N-PDMS-NH2 in toluene (10% p / p), che illustra il controllo su il tasso di assemblaggio NPS all’interfaccia. c Comportamento di instabilità osservato quando si ritrae una gocciolina rivestita con il film di interfaccia NPS. Barra della scala, 1 mm. d Immagine AFM in-situ del film NPS. L’inserto mostra il diagramma schematico dell’impostazione sperimentale per le misurazioni AFM. Barra della scala, 100 nm. e, f Immagini time-lapse di una soluzione di colorante blu pompata (10 mL h-1) attraverso il canale in presenza (e) e in assenza (f) del film NPS. Barre scala, 5 mm. Microscopia a forza atomica AFM
“Ancora nascenti nel loro sviluppo, i liquidi strutturati mancano di chiare regole di progettazione per controllare le loro architetture 2D o 3D, dirigere spazialmente componenti funzionali all’interno di ogni fase liquida e accoppiare processi fisiochimici attraverso l’interfaccia liquido-liquido in modo da creare sistemi chimici autonomi in grado di eseguire lavori utili, elaborare informazioni o eseguire funzioni logiche “, affermano gli scienziati.
Per realizzare tali dispositivi, i supporti di vetro sono stati rivestiti con polimeri superidrofobici. Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato il fotoritocco con architetture di canali superidrofilici, accompagnate anche da una dispersione acquosa di nanoclay 2D anionici.
Semi-permeabilità delle pellicole interfacciali 2D NPS. uno schema che mostra il trasferimento di massa selettivo attraverso l’interfaccia acqua-olio attraverso il film NPS. b Spettri UV-Vis impilati di un colorante neutro (1) a intervalli di tempo di 5 minuti, che monitorano il trasferimento del colorante dall’acqua al toluene attraverso la pellicola di membrana NPS in una cuvetta mascherata. L’inserto mostra la struttura chimica del colorante 1 impegnato nel trasferimento di massa. c Immagini LSCM del canale fluidico dopo l’infusione della soluzione di colorante 1 nel canale del liquido preformato coperto da toluene. d Un dispositivo fluidico che descrive il flusso di una soluzione mista di colorante 1 e resazurina sodica (2) per la separazione chimica. [1] = 1,4 mg mL-1, [2] = 1 mg mL-1. Le fotografie dell’ingresso, dell’uscita e della sovrapposizione diluita di soluzioni toluene raccolte in cuvette mostrano la separazione del colorante dopo l’infusione della soluzione miscelata ad una portata di 0,2 mL h-1 per 1 ora. Barra della scala, 5 mm. e Spettri UV-Vis delle soluzioni di ingresso e uscita diluite utilizzate per quantificare l’efficienza del partizionamento del colorante 1 dalla fase acquosa alla fase toluenica. Tensioattivo polimero nanoparticellare NPS, microscopia confocale a scansione laser LSCM
“Le forze interfacciari sono efficaci nel bloccare e confinare la fase acquosa in geometrie arbitrariamente complesse e in un’ampia gamma di larghezze di canale”, ha affermato il team di ricerca.
I sistemi manipolati sono in grado di raggiungere rapidamente lo stato stazionario desiderato e la topografia dei tensioattivi polimero nanoparticellare (NPS) è stata presentata dopo che i ricercatori hanno utilizzato la microscopia a forza atomica. Hanno riferito che i loro dati hanno dimostrato “nanoclay ben confezionati” all’interfaccia senza problemi strutturali. I ricercatori hanno anche notato che solo microcanali con pareti NPS potevano guidare il flusso alla velocità desiderata. Senza di loro, la fase acquosa procedeva a crescere all’ingresso del canale. Il team ha anche notato che il flusso massimo dipende completamente dalla sezione trasversale del canale e dall’architettura generale.
Il team ha anche esaminato la permeabilità della membrana, la funzionalizzazione e ulteriori trasformazioni chimiche relative ai dispositivi fluidici con le pareti NPS necessarie. Con l’uso di film NPS, hanno scoperto che i microcanali aggiunti erano “semplici da introdurre” nei metodi di scrittura diretta.
“Per contestualizzare questo progresso, senza l’ausilio di substrati micropatternati e film NPS, la costruzione di fili acquosi simili a canali nell’olio non è in genere possibile, poiché la forza motrice termodinamica richiesta per ridurre l’area interfacciaiale spezza i fili acquosi in goccioline”, hanno affermato i ricercatori .
uno schema di fabbricazione di microcanali 3D stabilizzati da un complesso interfacciabile tensioattivo nanoclay per collegare i microcanali separati mediante stampa di acqua in olio. La disconnessione di questi microcanali è possibile anche tagliando questi “ponti”. b Canali adiacenti su un substrato modellato collegati da un cavalcavia stampato in 3D. La Na-fluoresceina (0,1 mg mL-1) è stata aggiunta alla dispersione di argilla per chiarire le caratteristiche dei costrutti. Scala: 2 mm. c Fabbricazione di un ponte 3D che collega canali separati (pannello centrale) e taglia il ponte (pannello destro). Barra della scala: 500 μm.
I microcanali fabbricati hanno offerto una struttura così stabile durante la ricerca e la valutazione che i ricercatori hanno scoperto che potevano usarli come ponti o collegando regioni separate sul substrato o collegando il dispositivo a un’entità esogena.
“I nostri studi rivelano una capacità di apprendimento latente in tali dispositivi, in quanto il rilevamento o il rilevamento di proprietà e contenuti del canale può essere utilizzato per orientare l’architettura del dispositivo per ottenere un risultato specifico. La maturazione del concetto di progettazione ha portato a dispositivi in grado di eseguire compiti complessi in modo logico mediante compartimentazione reversibile della funzione e della direzione dei flussi chemo-energetici che operano lontano dalle condizioni di equilibrio “, hanno concluso i ricercatori.
“Il potenziale per questo sistema di esibire l’apprendimento autonomo è evidente. Tali dispositivi possono anche essere disposti in serie per generare dati profondi o scuri per l’apprendimento automatico, ad esempio, da trasformazioni e schermi chimici (bio) completamente liquidi, per costruire conoscenza e comprensione dalla logica chimica. “
I metodi di fabbricazione utilizzati nella progettazione 3D e nella stampa 3D abbracciano molti settori diversi e applicazioni complesse, ma potresti essere sorpreso di esplorare ulteriormente la scienza dei materiali, dell’hardware e del software e capire quanti chimici usano la tecnologia dall’uso in continuo sistemi di flusso per studi centrati sulla miniaturizzazione e disegni complessi in microfluidica . Scopri di più sui processi attuali nella stampa liquido-liquido qui .
Microreattori tutti liquidi. a-c Schema dell’ancoraggio di molecole cationiche (a), enzimi (b) e nanocristalli (c) al film anionico NPS che riveste i microcanali. d, e ricostituzione 3D di immagini confocali di blu di metilene (d) e HRP (e) marcate con LRSC per determinare l’adesione di specie cationiche alla parete NPS del microcanale. Barre della scala, 100 μm. f Immagine AFM in-situ del film NPS immobilizzato con nanocristalli di Pt rivestiti con CTAB sull’interfaccia olio-silicone. Barra della scala, 100 nm. g, h Ossidazione di substrati TMB (g) e 4-AAP / fenolo (h) catalizzati da HRP immobilizzato nei canali, che generano prodotti con colori distintivi in flusso. Barre scala, 5 mm. Tensioattivo di polimero nanoparticellare NPS, lisamina lissamina rodamina B sulfonil cloruro, HRP perossidasi di rafano, TMB 3,3 ‘, 5,5’-tetrametilbenzidina, 4-AAP 4-aminoantipyri
