Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) han impreso en 3D un dispositivo totalmente líquido que, con el clic de un botón, se puede reconfigurar repetidamente a pedido para atender una amplia gama de aplicaciones, desde la fabricación de materiales para baterías hasta la detección de candidatos a fármacos.

"Lo que demostramos es notable. Nuestro dispositivo impreso en 3D se puede programar para realizar varios pasos, reacciones químicas complejas bajo demanda, "dijo Brett Helms, un científico de planta en la División de Ciencias de Materiales y Fundición Molecular de Berkeley Lab, quien dirigió el estudio. "Lo que es aún más sorprendente es que esta plataforma versátil se puede reconfigurar para combinar moléculas de manera eficiente y precisa para formar productos muy específicos, como materiales orgánicos para baterías ".

Los hallazgos del estudio, que fueron reportados 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 3-D.

El año pasado, un estudio en coautoría de Helms y Thomas Russell, un investigador visitante de la Universidad de Massachusetts en Amherst que dirige el Programa Adaptive Interfacial Assemblies Toward Structured Liquids en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley, fue pionero en una nueva técnica para imprimir varias estructuras líquidas, desde gotitas hasta hilos de líquido arremolinados, dentro de otro líquido.

"Después de esa exitosa demostración, un grupo de nosotros nos reunimos para intercambiar 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 hacer fluir el contenido a través de ellos sin destruirlos, entonces podríamos fabricar dispositivos fluídicos útiles para una amplia gama de aplicaciones, desde nuevos tipos de laboratorios químicos miniaturizados hasta incluso baterías y dispositivos electrónicos ".

Para hacer el dispositivo fluídico imprimible en 3-D, autor principal Wenqian Feng, investigador postdoctoral en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, diseñó un sustrato de vidrio especialmente estampado. Cuando dos líquidos, uno que contiene partículas de arcilla a nanoescala, otro que contiene partículas de polímero:se imprimen en el sustrato, se unen 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 se pueden colocar en diferentes canales del dispositivo. A continuación, el usuario puede imprimir puentes en 3D entre canales, conectarlos de modo que una sustancia química que fluye a través de ellos encuentre catalizadores en un orden específico, desencadenando una cascada de reacciones químicas para producir compuestos químicos específicos. Y cuando lo controla una computadora, este complejo proceso se puede automatizar "para ejecutar tareas asociadas con la colocación del catalizador, construir puentes líquidos dentro del dispositivo, y ejecutar las secuencias de reacción necesarias para producir moléculas, "dijo Russell.

El dispositivo multitarea también se puede programar para que funcione 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 realizar los pasos de 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 de interés emergente en las comunidades de la química y los materiales, y nuestra técnica para dispositivos de impresión 3-D para química de flujo totalmente 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 Berkeley Lab, junto con 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 haber desarrollado este programa en ningún otro lugar ".

A continuación, los investigadores planean electrificar las paredes del dispositivo utilizando nanopartículas conductoras para expandir los tipos de reacciones que se pueden explorar. "Con nuestra técnica, creemos que también debería ser posible crear circuitos totalmente líquidos, celdas de combustible, e incluso baterías, ", dijo Helms." Ha sido realmente emocionante para nuestro equipo combinar fluidos y química de flujo de una manera que sea fácil de usar y programable por el usuario ".