_ Cercetătorii proiectează un nou modul microfluidic pentru controlul porozității materialelor fabricate

Materialele poroase sunt esențiale pentru multe procese chimice, cum ar fi recoltarea luminii, adsorbția, cataliza, transferul de energie și chiar noile tehnologii pentru materiale electronice. Prin urmare, s-au făcut multe eforturi pentru a controla porozitatea diferitelor materiale fabricate.

Pentru a aborda acest lucru, cercetătorii de la Institutul de Chimie Fizică al Academiei Polone de Științe au demonstrat recent o nouă tehnologie microfluidică care permite generarea de emulsii cu control dinamic asupra volumului picăturilor pentru a modifica compoziția chimică a matricei imprimate 3D la scară largă folosind duze aliniate pentru a furniza materiale poroase cu porozitate complet controlată.

Materiale poroase cu formă și dimensiunea porilor controlate. sunt la mare căutare într-o gamă largă de domenii, de la sinteza chimică și cercetarea mediului până la sectorul producției de energie. În funcție de compoziția chimică a materialului, porozitatea poate fi obținută prin spumare, extrudare, turnare cu alunecare, granulare, electrofilare, uscare prin pulverizare, granulare, emulsionare și multe alte metode, inclusiv în cazul în care lista metodelor de fabricație este mult mai lungă.

Indiferent de tehnica utilizată, controlul dimensiunii și formei porilor în cadrul acestor tehnici are încă câteva limitări. Indiferent de forma porilor, cavităților, canalelor sau fisurilor, care sunt cilindrice, în formă de sticlă de cerneală sau de pâlnie, sferică sau de altă natură, controlul dimensiunii, formei și distribuției treptate a acestora în material este încă o provocare. Mai ales când vine vorba de pregătirea structurilor funcționale la scară largă.

Cu toate acestea, datorită proiectării unui nou modul microfluidic propus de cercetătorii de la Institutul de Chimie Fizică al Academiei Poloneze de Științe (IPC PAS), este posibil să se producă materiale poroase cu dimensiunea și distribuția controlate a porilor în volumul materialului sintetizat.

Cercetătorii au combinat dispozitivul microfluidic cu o imprimantă 3D personalizată, prin care generează și extruda un ulei în apă. emulsie într-o baie de gel de agaroză, urmată de polimerizare, a fost posibilă controlul structurii unice a hidrogelului imprimat 3D.

Totuși, totul a început cu aplicarea tehnologiilor microfluidice care permit controlul fluxului. de fluide nemiscibile în microcanale minuscule pentru a genera picături mici cu un volum consistent variind de la femtolitri la nanolitri. Deși o astfel de tehnologie este bine cunoscută în întreaga lume și a fost dezvoltată pe scară largă timp de trei decenii, majoritatea metodelor produc picături cu un volum care depinde foarte mult de debitele.

Datorită acestui aspect, controlul picăturii. diametrul în timpul extrudării 3D a emulsiei este o sarcină dificilă, deoarece debitul trebuie menținut constant. Într-o lucrare recentă publicată în jurnalul Lab on the Chip, cercetătorii de la IPC PAS au sugerat o nouă tehnologie microfluidică pentru a controla dinamic diametrul picăturilor fără a modifica viteza de extrudare a fazelor emulsionate.

Oamenii de știință au combinat o tehnologie existentă. tehnologie (emulsionare în etape) cu o membrană flexibilă care a permis modificarea geometriei duzei ajustând presiunea asupra membranei. O scădere a înălțimii duzei a redus diametrul picăturilor peste trei ordine de mărime și a fost testată cu succes pentru diferite debite.

Acest pas reglabil (cunoscut și ca pas de ton) a permis generarea de ulei în apă. (O/W) și emulsii de apă în ulei (W/O) cu modificări ale dimensiunii picăturilor și ale fracției de volum, menținând în același timp o viteză de extrudare constantă.

Dr. Marco Costantini susține: „În munca noastră, am demonstrat modul în care modificarea geometriei duzei poate controla dimensiunea picăturilor și fracția de volum. Aici, am analizat mai întâi modul în care pasul de ton poate fi utilizat în mod eficient atât pentru producția de A/O și O/. Emulsii W, aceasta din urmă fiind posibilă datorită unei strategii inovatoare de modificare a suprafeței PDMS hidrofile pe care am dezvoltat-o ​​suplimentar.”

„În urma acesteia, am integrat tuna-step într-o platformă personalizată de imprimare 3D și emulsii O/W extrudate. într-o baie de gel de agaroză granulară. Această strategie permite separarea suplimentară a proprietăților reologice ale cernelii emulsie de imprimabilitatea acesteia și obținerea unei poziționări spațiale precise în timpul procesului de extrudare.”

Deoarece au fost utilizate două configurații diferite pentru creând emulsii ulei în apă, cercetătorii au creat o modificare hidrofilă personalizată a suprafeței cipului cu polidimetilsiloxan (cunoscut și sub numele de PDMS) pentru a preveni umflarea acestuia atunci când sunt expuși la solvenți organici precum hexadecanul.

Această procedură. ne-a permis să generăm picături de ulei în apă în mod continuu timp de aproape 24 de ore, ceea ce, combinat cu tehnologia de imprimare 3D, a permis imprimarea combinată cu polimerizarea materialelor gradate funcțional, cu porozitate și compoziție diferite. Până acum, cu configurația experimentală propusă, combinarea gradienților de compoziție, microarhitectura sau ambele tipuri de gradienți într-un singur material poate crea multe tipuri de materiale diferite cu caracteristici structurale și funcționale distincte.

Descoperirile descrise mai sus. nu numai că arată că designul nostru cu pas de ton este potrivit pentru imprimarea 3D a emulsiilor și știința materialelor, dar demonstrează și potențialele aplicații viitoare. În plus, imprimarea 3D poate fi efectuată folosind mai multe duze simultan, făcând configurația propusă un instrument versatil pentru producerea de materiale poroase.

„Designul nostru versatil ne-a permis să realizăm în plus depunerea 3D cu mai multe materiale prin comutarea rapidă între diferite faze continue. În cele din urmă, am demonstrat potențialul de scalabilitate al pasului nostru de ton prin producerea de picături folosind un dispozitiv cu 14 duze, crescând debitul sistemului cu un factor de ~14, un aspect deosebit de important pentru fabricarea hidrogelului macroscopic cu controlul controlat. porozitatea în întregul volum”, remarcă dr. Marco Costantini.

De ce este atât de importantă porozitatea controlată? După cum am menționat, există multe sectoare care se ocupă de această caracteristică, de la energie, cum ar fi matricea poroasă pentru supercondensatori, până la biocomponentele de armare a țesuturilor moi. Proiectul propus ne apropie de producerea ușoară a substructurilor poroase cu design controlat, la fel ca implanturile osoase sau cartilaginoase cu porozitate treptată, dar lista materialelor care pot fi produse folosind tehnologia propusă este cu siguranță mult mai lungă.

Descoperirile sunt publicate în jurnalul Lab on a Chip.

(Fluierul)