Inspirado na maneira como as plantas absorvem e distribuem água e nutrientes, Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) desenvolveram um método inovador para o transporte de líquidos e gases usando um desenho de rede impressa em 3D e fenômenos de ação capilar.

Em um artigo publicado hoje em Natureza e destaque na capa da publicação, Os pesquisadores do LLNL descrevem estruturas micro-arquitetadas impressas em 3D, capazes de conter e fluir fluidos para criar contatos extensos e controlados entre líquidos e gases. O ordenado, estruturas de células porosas e abertas facilitam a ação capilar dirigida pela tensão superficial (o movimento do líquido através de pequenos poros devido às forças de adesão e coesão) nas células unitárias - semelhante a uma árvore puxando água do solo ou uma toalha de papel absorvendo um derramamento - e possibilitar o transporte de líquidos e gases ao longo das estruturas.

Os pesquisadores disseram que a técnica inovadora pode ter impactos transformadores e abrangentes em vários campos envolvendo processos multifásicos (gás / líquido / sólido), incluindo reatores eletroquímicos ou biológicos usados ​​para converter dióxido de carbono ou metano em energia, microfluídica avançada, dessalinização solar, filtragem de ar, transferência de calor, resfriamento da transpiração e fornecimento de fluidos em ambientes de baixa ou zero gravidade.

"Usando esta abordagem, podemos projetar e imprimir mídia porosa ordenada com muitos graus de controle sobre como os líquidos e gases se comportam dentro dessas estruturas, "disse o autor principal e cientista da equipe do LLNL, Nikola Dudukovic." Meios porosos - como esponjas, papel ou tecidos - geralmente tendem a ter microestrutura desordenada e, portanto, são difíceis de descrever analiticamente e computacionalmente. A fluídica celular permite que você, num sentido, criar uma 'esponja ordenada, 'onde os líquidos e os gases viajam exatamente para onde você quer que eles vão. "

Aproveitando anos de pesquisa de laboratório em impressão 3D, design de rede hierárquica e tecnologia de litografia microestéreo de projeção de grande área desenvolvida pelo LLNL (LAPuSL) - uma impressora baseada em luz que pode produzir recursos extremamente pequenos em grande escala - os pesquisadores construíram várias estruturas cheias de fluido para estudar diferentes tipos de transporte multifásico e fenômenos de reação.

Os processos que eles demonstraram incluíram absorção (captura de CO gasoso ₂ em um líquido), evaporação (o transporte de líquido para a fase gasosa) e transpiração, onde os cientistas mostraram que as estruturas eram capazes de se resfriar evaporando o líquido para a atmosfera enquanto se reabasteciam de um reservatório de líquido, como como as plantas liberam vapor enquanto continuamente reabastecem a água do solo.

"Certamente fomos inspirados pela natureza, mas reconhecemos que os seres humanos estão muito aquém de replicar a natureza em toda a sua complexidade primorosa. Contudo, este é um passo ao longo do caminho, "explicou o investigador principal e engenheiro de pesquisa Eric Duoss." Começamos a ver que podíamos controlar deterministicamente como um líquido fluiria para a arquitetura porosa programando alguns dos atributos locais em microescala dessas estruturas - foi uma espécie de epifania desse ponto de vista . Descobrimos que não podíamos apenas controlar o arranjo e a propagação de líquidos, também podíamos controlar o arranjo e a propagação dos gases. Quando você tem controle sobre ambos, você pode fazer coisas incríveis. "

A capacidade de projetar interfaces precisas de gás / líquido e vias de transporte preferidas, ao mesmo tempo que exibe controle sobre as taxas de transporte, permitirá aos cientistas estudar experimentalmente e computacionalmente o capilar e outros fenômenos de fluxo e transporte, e potencialmente transformar disciplinas envolvendo processos multifásicos, incluindo microfluídica tradicional, que são usados ​​principalmente para diagnósticos de saúde em pontos de atendimento, dispositivos organ-on-a-chip e outras aplicações, pesquisadores disseram.

"Esta é uma maneira muito diferente de pensar em um fluxo microfluídico, onde temos muitas interfaces de ar / líquido, "disse a pesquisadora e co-autora do LLNL Erika Fong." Por exemplo, muitos dispositivos microfluídicos são projetados para fazer ensaios biológicos, mas não são facilmente adotados por biólogos que geralmente usam placas de poços abertos, que você pode acessar facilmente manualmente, ao contrário de dispositivos microfluídicos fechados. Vemos isso como uma forma que pode ajudar a preencher a lacuna entre a microfluídica tradicional e os sistemas abertos. "

Os pesquisadores do LLNL disseram que os conceitos de fluídica celular podem melhorar a tecnologia microfluídica atual, permitindo o transporte de fluido controlado em geometrias complexas em 3D, considerando que os sistemas microfluídicos de hoje são normalmente planos e fechados, limitando sua capacidade de reproduzir processos multifásicos.

“Nas plantas, água e nutrientes são transportados através de uma vasculatura central para as folhas que facilitam a transferência de gás para o metabolismo, "disse o co-autor e engenheiro de pesquisa do LLNL, Josh DeOtte." Aqui, estamos olhando para ambas as funções agrupadas em um sistema - transporte de líquido e gás - e amarrando isso em três dimensões em vez de configurações planas. "

Para testar a integração com a microfluídica tradicional, O engenheiro e coautor do LLNL Hawi Gemeda conduziu experimentos de fluxo ativo usando bombas de seringa para controlar o fluxo de líquidos em um dispositivo impresso em 3D e observou o comportamento do fluxo. Os pesquisadores descobriram que as vias preferenciais podem ser programadas controlando o tipo, tamanho e densidade das células unitárias, e descobriram que podem melhorar a retenção de líquidos sob condições de fluxo ativo por meio de um projeto de estrutura preciso.

Essa capacidade também permitiu aos pesquisadores padronizar regiões seletivas das redes de polímero impressas em 3D com revestimentos metálicos condutores e cataliticamente ativos.

Além de promover a microfluídica, pesquisadores disseram que os fluidos celulares são promissores para aplicações no espaço sideral, onde permitiria o transporte de fluido na ausência de gravidade, e na coleta de amostra de aerossol e filtração de gás, devido à capacidade de controlar com precisão o contato entre as fases líquida e gasosa. Ele também pode melhorar a transferência de calor incorporando designs de treliça que permitem que as estruturas permaneçam resfriadas por longos períodos de tempo.

Embora os pesquisadores do laboratório tenham uma longa lista de planos para a tecnologia, seu objetivo imediato é aplicar fluidos celulares a reatores eletroquímicos usados ​​para converter dióxido de carbono em produtos úteis. O processo envolve a adição de elétrons, prótons e um catalisador para CO ₂ sofrer reações complexas. Os pesquisadores acreditam que a fluídica celular pode fornecer maior controle sobre a interface entre o CO gasoso ₂ , eletrólito líquido e o catalisador de metal, onde essas reações ocorrem.

A equipe também está explorando o uso de fluídica celular em biorreatores, em que as bactérias consomem metano gasoso e excretam subprodutos orgânicos. Fluidos celulares podem ser usados ​​para criar paredes extremamente finas nos reatores, melhorando assim a reatividade e permitindo que os cientistas carreguem mais bactérias nos dispositivos para melhorar o desempenho. O trabalho futuro está planejado na otimização do design, co-projeto fluido / mecânico, detecção de ameaças biológicas ou materiais energéticos e até mesmo materiais vivos projetados.

"O problema com esses ambientes complexos é que não tivemos uma boa maneira de criar sistemas de modelo para facilitar a compreensão da ciência fundamental. Por exemplo, ainda não podemos fazer pulmões artificiais, onde você tem essa complexidade de ter gases, líquidos e sólidos co-presentes, "disse Duoss, diretor do Centro de Materiais de Engenharia e Manufatura do LLNL. "Mas agora o que temos é uma plataforma para fazer aqueles estudos fundamentais que são tão importantes para criar entendimento. Com esse novo entendimento em mãos, teremos uma oportunidade incrível de aplicá-lo. "

O trabalho foi financiado por uma Iniciativa Estratégica de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigida por Laboratório "Manufaturando Moléculas para a Nova Economia do Carbono". Os co-autores incluíram cientistas do LLNL Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis e Sarah Baker.