Inspirado en la forma en que las plantas absorben y distribuyen agua y nutrientes, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han desarrollado un método innovador para transportar líquidos y gases utilizando un diseño de celosía impreso en 3D y fenómenos de acción capilar.

En un artículo publicado hoy en Naturaleza y aparece en la portada de la publicación, Los investigadores de LLNL describen estructuras de microarquitectura impresas en 3D capaces de contener y hacer fluir fluidos para crear contactos extensos y controlados entre líquidos y gases. El ordenado, Las estructuras porosas y de celda abierta facilitan la acción capilar impulsada por la tensión superficial (el movimiento del líquido a través de los poros pequeños debido a las fuerzas de adhesión y cohesión) en las celdas unitarias, similar a un árbol que extrae agua del suelo o una toalla de papel que absorbe un derrame. y permitir el transporte de líquidos y gases a través de las estructuras.

Los investigadores dijeron que la técnica innovadora podría tener impactos transformadores y de amplio alcance en numerosos campos que involucran procesos multifásicos (gas / líquido / sólido). incluidos los reactores electroquímicos o biológicos utilizados para convertir dióxido de carbono o metano en energía, microfluidos avanzados, desalación solar, filtración de aire, transferencia de calor, enfriamiento por transpiración y suministro de fluidos en entornos de gravedad baja o cero.

"Con este enfoque, podemos diseñar e imprimir medios porosos ordenados con muchos grados de control sobre cómo se comportan los líquidos y gases dentro de estas estructuras, ", dijo el autor principal y científico del personal del LLNL, Nikola Dudukovic." Los medios porosos, como esponjas, papel o telas, generalmente tienden a tener una microestructura desordenada y, por lo tanto, son difíciles de describir analítica y computacionalmente. La fluídica celular te permite, en un sentido, crea una 'esponja ordenada, 'donde los líquidos y los gases viajan exactamente donde usted quiere que vayan ".

Aprovechando años de investigación de laboratorio en impresoras 3D, diseño de celosía jerárquica y tecnología de micro-litografía estéreo de proyección de área grande (LAPuSL) desarrollada por LLNL, una impresora basada en luz que puede producir características extremadamente pequeñas a gran escala, los investigadores construyeron varias estructuras llenas de líquido para estudiar diferentes tipos de transporte multifásico y Fenómenos de reacción.

Los procesos que demostraron incluyeron absorción (captura de CO gaseoso ₂ en un líquido), evaporación (el transporte de líquido a una fase gaseosa) y transpiración, donde los científicos demostraron que las estructuras eran capaces de enfriarse por sí mismas evaporando líquido a la atmósfera mientras se rellenaban desde un depósito de líquido, como cómo las plantas liberan vapor mientras reponen continuamente el agua del suelo.

"Ciertamente nos inspiró la naturaleza, pero reconocimos que los seres humanos no han logrado replicar la naturaleza en toda su exquisita complejidad. Sin embargo, este es un paso en el camino, ", explicó el investigador principal e ingeniero de investigación Eric Duoss." Empezamos a ver que podíamos controlar de forma determinista cómo un líquido fluiría hacia la arquitectura porosa mediante la programación de algunos de los atributos de microescala locales de estas estructuras; fue una especie de epifanía desde ese punto de vista . Descubrimos que no solo podíamos controlar la disposición y propagación de los líquidos, también podríamos controlar la disposición y propagación de gases. Cuando tienes control sobre ambos, puedes hacer cosas increíbles ".

La capacidad de diseñar interfaces precisas de gas / líquido y rutas de transporte preferidas mientras exhibe control sobre las velocidades de transporte permitirá a los científicos estudiar experimental y computacionalmente los fenómenos de flujo y transporte capilares y otros. y potencialmente transformar disciplinas que involucran procesos multifásicos, incluyendo microfluidos tradicionales, que se utilizan principalmente para diagnósticos de salud en el punto de atención, dispositivos organ-on-a-chip y otras aplicaciones, dijeron los investigadores.

"Esta es una forma muy diferente de pensar en un flujo de microfluidos, donde tenemos muchas interfaces aire / líquido, ", dijo la investigadora y coautora de LLNL Erika Fong." Por ejemplo, Muchos dispositivos de microfluidos están diseñados para realizar ensayos biológicos, pero los biólogos que generalmente usan placas de pocillos abiertos no los adoptan fácilmente. al que puede acceder muy fácilmente de forma manual, a diferencia de los dispositivos microfluídicos cerrados. Vemos esto como una forma que puede ayudar a cerrar la brecha entre la microfluídica tradicional y los sistemas abiertos ".

Los investigadores de LLNL dijeron que los conceptos de fluídica celular podrían mejorar la tecnología de microfluidos actual al permitir el transporte controlado de fluidos en geometrías complejas en 3D, Considerando que los sistemas de microfluidos de hoy son típicamente planos y cerrados, limitando su capacidad para reproducir procesos multifásicos.

"En las plantas, el agua y los nutrientes se transportan a través de una vasculatura central a las hojas que facilitan la transferencia de gases para el metabolismo, ", dijo el coautor e ingeniero de investigación de LLNL Josh DeOtte." Aquí, estamos viendo ambas funciones integradas en un sistema (transporte de líquido y gas) y uniendo eso en tres dimensiones en lugar de configuraciones planas ".

Para probar la integración con microfluídicos tradicionales, El ingeniero y coautor de LLNL, Hawi Gemeda, dirigió experimentos de flujo activo utilizando bombas de jeringa para controlar el flujo de líquidos en un dispositivo impreso en 3D y observó el comportamiento del flujo. Los investigadores encontraron que las vías preferidas podrían programarse controlando el tipo, tamaño y densidad de las celdas unitarias, y descubrió que podían mejorar la retención de líquidos en condiciones de flujo activo mediante un diseño de estructura preciso.

Esta capacidad también permitió a los investigadores modelar regiones selectivas de las celosías de polímero impresas en 3D con recubrimientos metálicos conductores y catalíticamente activos.

Además de promover la microfluídica, Los investigadores dijeron que la fluídica celular es prometedora para aplicaciones en el espacio exterior, donde permitiría el transporte de fluidos en ausencia de gravedad, y en la recogida de muestras de aerosoles y la filtración de gases, debido a la capacidad de controlar con precisión el contacto entre las fases líquida y gaseosa. También podría mejorar la transferencia de calor al incorporar diseños de celosía que permitan que las estructuras permanezcan refrigeradas durante períodos de tiempo prolongados.

Si bien los investigadores del laboratorio tienen una larga lista de planes para la tecnología, su objetivo inmediato es aplicar fluidos celulares a los reactores electroquímicos utilizados para convertir el dióxido de carbono en productos útiles. El proceso implica agregar electrones, protones y un catalizador para CO ₂ sufrir reacciones complejas. Los investigadores creen que la fluídica celular podría proporcionar un mayor control sobre la interfaz entre el CO gaseoso ₂ , electrolito líquido y el catalizador metálico, donde tienen lugar estas reacciones.

El equipo también está explorando el uso de fluidos celulares en biorreactores, en el que las bacterias consumen metano gaseoso y excretan subproductos orgánicos. La fluídica celular podría usarse para crear paredes extremadamente delgadas en los reactores, mejorando así la reactividad y permitiendo a los científicos cargar más bacterias en los dispositivos para mejorar el rendimiento. Se planea trabajar en el futuro en la optimización del diseño, co-diseño fluido / mecánico, detección de amenazas biológicas o materiales energéticos e incluso materiales vivos diseñados.

"El problema con estos entornos complejos es que no hemos tenido una buena forma de crear sistemas modelo para facilitar la comprensión de la ciencia fundamental. Por ejemplo, todavía no podemos hacer pulmones artificiales, donde tienes esta complejidad de tener gases, líquidos y sólidos co-presentes, "dijo Duoss, director del Centro de Fabricación y Materiales de Ingeniería de LLNL. "Pero ahora lo que tenemos es una plataforma para hacer esos estudios fundamentales que son tan importantes para crear comprensión. Con esa nueva comprensión en la mano, tendremos una oportunidad increíble para aplicarlo ".

El trabajo fue financiado bajo una Iniciativa Estratégica de Investigación y Desarrollo Dirigida por Laboratorio "Fabricación de Moléculas para la Nueva Economía del Carbono". Los coautores incluyeron a los científicos del LLNL Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis y Sarah Baker.