Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE ont imprimé en 3D un dispositif entièrement liquide qui, d'un simple clic, peut être reconfiguré à plusieurs reprises à la demande pour servir un large éventail d'applications, de la fabrication de matériaux de batterie à la sélection de médicaments candidats.

"Ce que nous avons démontré est remarquable. Notre appareil imprimé en 3D peut être programmé pour effectuer plusieurs étapes, réactions chimiques complexes à la demande, " a déclaré Brett Helms, membre du personnel scientifique de la division des sciences des matériaux et de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab, qui a dirigé l'étude. "Ce qui est encore plus étonnant, c'est que cette plate-forme polyvalente peut être reconfigurée pour combiner efficacement et précisément des molécules pour former des produits très spécifiques, tels que les matériaux organiques des batteries."

Les conclusions de l'étude, qui ont été rapportés dans le journal Communication Nature , est la dernière d'une série d'expériences au Berkeley Lab qui fabriquent des matériaux entièrement liquides avec une imprimante 3D.

L'année dernière, une étude co-écrite par Helms et Thomas Russell, un chercheur invité de l'Université du Massachusetts à Amherst qui dirige le programme Adaptive Interfacial Assemblies Toward Structured Liquids dans la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a été le pionnier d'une nouvelle technique d'impression de diverses structures liquides, des gouttelettes aux filets tourbillonnants de liquide, dans un autre liquide.

« Après cette démonstration réussie, un groupe d'entre nous s'est réuni pour réfléchir à la façon dont nous pourrions utiliser l'impression liquide pour fabriquer un appareil fonctionnel, " dit Helms. " Puis il nous est venu à l'esprit:si nous pouvons imprimer des liquides dans des canaux définis et faire circuler le contenu à travers eux sans les détruire, alors nous pourrions faire des dispositifs fluidiques utiles pour un large éventail d'applications, des nouveaux types de laboratoires chimiques miniaturisés jusqu'aux batteries et appareils électroniques."

Pour réaliser le dispositif fluidique imprimable en 3D, l'auteur principal Wenqian Feng, chercheur postdoctoral à la Division Sciences des Matériaux du Berkeley Lab, conçu un substrat de verre spécialement conçu. Lorsque deux liquides, l'un contenant des particules d'argile à l'échelle nanométrique, un autre contenant des particules de polymère - sont imprimés sur le substrat, ils se rejoignent à l'interface des deux liquides et forment en quelques millisecondes un canal ou tube très fin d'environ 1 millimètre de diamètre.

Une fois les canaux formés, les catalyseurs peuvent être placés dans différents canaux du dispositif. L'utilisateur peut alors imprimer en 3D des ponts entre les canaux, les reliant de sorte qu'un produit chimique qui les traverse rencontre des catalyseurs dans un ordre spécifique, déclencher une cascade de réactions chimiques pour produire des composés chimiques spécifiques. Et lorsqu'il est contrôlé par un ordinateur, ce processus complexe peut être automatisé "pour exécuter les tâches associées au placement du catalyseur, construire des ponts liquides au sein de l'appareil, et exécuter les séquences de réaction nécessaires pour fabriquer des molécules, " dit Russell.

Le dispositif multitâche peut également être programmé pour fonctionner comme un système circulatoire artificiel qui sépare les molécules circulant dans le canal et élimine automatiquement les sous-produits indésirables tout en continuant à imprimer une séquence de ponts vers des catalyseurs spécifiques, et réaliser les étapes de la synthèse chimique.

"La forme et les fonctions de ces appareils ne sont limitées que par l'imagination du chercheur, " a expliqué Helms. " La synthèse autonome est un domaine d'intérêt émergent dans les communautés de la chimie et des matériaux, et notre technique pour les dispositifs d'impression 3D pour la chimie en flux tout liquide pourrait aider à jouer un rôle important dans l'établissement du champ. »

Russell a ajouté :« La combinaison de l'expertise en science des matériaux et en chimie au Berkeley Lab, ainsi que des installations d'utilisateurs de classe mondiale disponibles pour les chercheurs du monde entier, et le jeune talent attiré par le Lab est unique. Nous n'aurions pas pu développer ce programme ailleurs."

Les chercheurs prévoient ensuite d'électrifier les parois de l'appareil à l'aide de nanoparticules conductrices pour élargir les types de réactions pouvant être explorées. "Avec notre technique, nous pensons qu'il devrait également être possible de créer des circuits tout-liquide, réservoirs de carburant, et même des piles, " a déclaré Helms. " Cela a été vraiment excitant pour notre équipe de combiner la fluidique et la chimie des écoulements d'une manière à la fois conviviale et programmable par l'utilisateur. "