Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE (Berkeley Lab) imprimiram em 3D um dispositivo totalmente líquido que, com o clique de um botão, pode ser repetidamente reconfigurado sob demanda para atender a uma ampla gama de aplicações - desde a fabricação de materiais para baterias até a triagem de candidatos a medicamentos.

"O que demonstramos é notável. Nosso dispositivo impresso em 3D pode ser programado para realizar várias etapas, reações químicas complexas sob demanda, "disse Brett Helms, um cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais e Fundição Molecular do Berkeley Lab, quem conduziu o estudo. "O que é ainda mais surpreendente é que esta plataforma versátil pode ser reconfigurada para combinar moléculas com eficiência e precisão para formar produtos muito específicos, como materiais orgânicos de bateria. "

As descobertas do estudo, que foram relatados no jornal Nature Communications , é o último de uma série de experimentos do Berkeley Lab que fabrica materiais totalmente líquidos com uma impressora 3-D.

Ano passado, um estudo coautorizado por Helms e Thomas Russell, um pesquisador visitante da Universidade de Massachusetts em Amherst que lidera o Programa Adaptive Interfacial Assemblies Toward Structured Liquids na Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley, foi pioneira em uma nova técnica para imprimir várias estruturas líquidas - de gotículas a fios giratórios de líquido - dentro de outro líquido.

"Depois daquela demonstração de sucesso, muitos de nós se reuniram para pensar em como poderíamos usar a impressão líquida para fabricar um dispositivo funcional, "disse Helms." Então nos ocorreu:se pudermos imprimir líquidos em canais definidos e fluir o conteúdo através deles sem destruí-los, então poderíamos fazer dispositivos fluídicos úteis para uma ampla gama de aplicações, de novos tipos de laboratórios químicos miniaturizados até baterias e dispositivos eletrônicos. "

Para tornar o dispositivo fluídico imprimível 3D, autor principal Wenqian Feng, um pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, projetou um substrato de vidro especialmente padronizado. Quando dois líquidos - um contendo partículas de argila em nanoescala, outro contendo partículas de polímero - são impressas no substrato, eles vêm juntos na interface dos dois líquidos e em milissegundos formam um canal ou tubo muito fino com cerca de 1 milímetro de diâmetro.

Uma vez que os canais são formados, os catalisadores podem ser colocados em diferentes canais do dispositivo. O usuário pode então imprimir pontes 3D entre canais, conectá-los para que um produto químico fluindo através deles encontre catalisadores em uma ordem específica, desencadeando uma cascata de reações químicas para fazer compostos químicos específicos. E quando controlado por um computador, este processo complexo pode ser automatizado "para executar tarefas associadas à colocação de catalisador, construir pontes líquidas dentro do dispositivo, e executar as sequências de reação necessárias para fazer moléculas, "disse Russell.

O dispositivo multitarefa também pode ser programado para funcionar como um sistema circulatório artificial que separa as moléculas que fluem através do canal e remove automaticamente os subprodutos indesejados enquanto continua a imprimir uma sequência de pontes para catalisadores específicos, e realizar as etapas de síntese química.

“A forma e as funções desses dispositivos são limitadas apenas pela imaginação do pesquisador, "explicou Helms." A síntese autônoma é uma área emergente de interesse nas comunidades de química e materiais, e nossa técnica para dispositivos de impressão 3-D para química de fluxo de todos os líquidos pode ajudar a desempenhar um papel importante no estabelecimento do campo. "

Russell acrescentou:"A combinação de ciência de materiais e experiência em química no Berkeley Lab, junto com recursos de usuário de classe mundial disponíveis para pesquisadores de todo o mundo, e o jovem talento que é atraído para o Lab é único. Não poderíamos ter desenvolvido este programa em outro lugar. "

Os pesquisadores planejam eletrificar as paredes do dispositivo usando nanopartículas condutoras para expandir os tipos de reações que podem ser exploradas. "Com a nossa técnica, pensamos que também deveria ser possível criar circuitos totalmente líquidos, células de combustível, e até baterias, "disse Helms." Tem sido muito empolgante para nossa equipe combinar fluidos e química de fluxo de uma forma que seja amigável e programável pelo usuário. "