Puente sobre aguas acopladas: los científicos imprimen en 3D todo-líquido & # 039; laboratorio en un chip & # 039;

"Lo que demostramos es extraordinario. Nuestro dispositivo impreso en 3D puede programarse para realizar múltiples reacciones químicas complejas y en demanda", dijo Brett Helms, científico del personal de Berkeley Lab's Materials Sciences Division y Molecular Foundry, quien dirigió el estudio. "Lo que es aún más sorprendente es que esta plataforma versátil se puede reconfigurar para combinar de manera eficiente y precisa las moléculas para formar productos muy específicos, como materiales orgánicos para baterías".

Los hallazgos del estudio, que fueron publicados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza, es el último de una serie de experimentos en Berkeley Lab que fabrican materiales totalmente líquidos con una impresora 3D.

El año pasado, un estudio coautor de Helms y Thomas Russell, un investigador visitante de la Universidad de Massachusetts en Amherst que dirige los Ensambles Interfaciales Adaptativos hacia el Programa de Líquidos Estructurados en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley, fue pionero en una nueva técnica para imprimir varias estructuras de líquidos. – desde gotitas hasta hilos de líquido en remolino – dentro de otro líquido.

"Después de esa exitosa demostración, un grupo de nosotros nos reunimos para hacer una lluvia de ideas sobre cómo podríamos usar la impresión líquida para fabricar un dispositivo que funcione", dijo Helms. "Entonces se nos ocurrió: si podemos imprimir líquidos en canales definidos y fluir a través de ellos sin destruirlos, podríamos hacer dispositivos de fluidos útiles para una amplia gama de aplicaciones, desde nuevos tipos de laboratorios químicos miniaturizados hasta baterías y dispositivos electrónicos. dispositivos. "

Para hacer el dispositivo fluídico imprimible en 3D, el autor principal Wenqian Feng, investigador postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley, diseñó un sustrato de vidrio especialmente modelado. Cuando dos líquidos, uno que contiene partículas de arcilla a nanoescala y otro que contiene partículas de polímero, se imprimen sobre el sustrato, se juntan en la interfaz de los dos líquidos y en milisegundos forman un canal o tubo muy delgado de aproximadamente 1 milímetro de diámetro.

Una vez que se forman los canales, los catalizadores pueden colocarse en diferentes canales del dispositivo. Luego, el usuario puede imprimir puentes entre los canales en 3D, conectándolos de manera que un químico que fluye a través de ellos encuentre catalizadores en un orden específico, lo que desencadena una cascada de reacciones químicas para crear compuestos químicos específicos. Y cuando es controlado por una computadora, este complejo proceso puede automatizarse "para ejecutar tareas asociadas con la colocación de catalizadores, construir puentes líquidos dentro del dispositivo y ejecutar las secuencias de reacción necesarias para crear moléculas", dijo Russell.

El dispositivo multitarea también puede programarse para funcionar como un sistema circulatorio artificial que separa las moléculas que fluyen a través del canal y elimina automáticamente los subproductos no deseados mientras continúa imprimiendo una secuencia de puentes a catalizadores específicos, y lleva a cabo los pasos de la síntesis química.

"La forma y las funciones de estos dispositivos solo están limitadas por la imaginación del investigador", explicó Helms. "La síntesis autónoma es un área emergente de interés en la química y las comunidades de materiales, y nuestra técnica para dispositivos de impresión 3D para la química de flujo de todo líquido podría ayudar a desempeñar un papel importante en el establecimiento del campo".

Russell agregó: "La combinación de experiencia en ciencia de materiales y química en el Laboratorio de Berkeley, junto con las instalaciones de usuario de clase mundial disponibles para investigadores de todo el mundo, y el talento joven que se siente atraído por el Laboratorio es único. No podríamos haberlo hecho. Desarrollé este programa en cualquier otro lugar ".

El siguiente plan de los investigadores es electrificar las paredes del dispositivo utilizando nanopartículas conductoras para expandir los tipos de reacciones que pueden explorarse. "Con nuestra técnica, creemos que también debería ser posible crear circuitos completamente líquidos, celdas de combustible e incluso baterías", dijo Helms. "Ha sido realmente emocionante para nuestro equipo combinar la fluidez y la química de flujo de una manera que sea fácil de usar y programable por el usuario".