Inspiré par la façon dont les plantes absorbent et distribuent l'eau et les nutriments, Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont mis au point une méthode révolutionnaire pour le transport de liquides et de gaz à l'aide d'une conception en treillis imprimée en 3D et de phénomènes d'action capillaire.

Dans un article publié aujourd'hui dans La nature et figurant sur la couverture de la publication, Les chercheurs du LLNL décrivent des structures micro-architecturées imprimées en 3D capables de contenir et de faire circuler des fluides pour créer des contacts étendus et contrôlés entre les liquides et les gaz. Le commandé, les structures poreuses et à cellules ouvertes facilitent l'action capillaire induite par la tension superficielle (le mouvement du liquide à travers les petits pores en raison des forces d'adhérence et de cohésion) dans les cellules unitaires - comme un arbre tirant l'eau du sol ou une serviette en papier absorbant un déversement - et permettre le transport de liquides et de gaz à travers les structures.

Les chercheurs ont déclaré que la technique révolutionnaire pourrait avoir des impacts transformateurs et de grande envergure sur de nombreux domaines impliquant des processus multiphasiques (gaz/liquide/solide), y compris les réacteurs électrochimiques ou biologiques utilisés pour convertir le dioxyde de carbone ou le méthane en énergie, microfluidique avancée, dessalement solaire, filtration de l'air, transfert de chaleur, le refroidissement par transpiration et l'apport de fluides dans des environnements à gravité faible ou nulle.

« En utilisant cette approche, nous pouvons concevoir et imprimer des supports poreux ordonnés avec de nombreux degrés de contrôle sur le comportement des liquides et des gaz au sein de ces structures, ", a déclaré l'auteur principal et scientifique du LLNL Nikola Dudukovic. "Les supports poreux, comme les éponges, le papier ou les tissus, ont généralement une microstructure désordonnée et sont donc difficiles à décrire analytiquement et informatiquement. La fluidique cellulaire vous permet, en un sens, créer une éponge ordonnée, ' où les liquides et les gaz voyagent exactement là où vous voulez qu'ils aillent."

Tirant parti d'années de recherche en laboratoire sur l'impression 3D, la conception de réseau hiérarchique et la technologie de micro-lithographie stéréo à projection sur grande surface (LAPUSL) développée par LLNL - une imprimante à base de lumière qui peut produire des caractéristiques extrêmement minuscules à grande échelle - les chercheurs ont construit diverses structures remplies de fluide pour étudier différents types de transport multiphasique et phénomènes réactionnels.

Les processus qu'ils ont démontrés comprenaient l'absorption (capture du CO gazeux 2 dans un liquide), l'évaporation (le transport du liquide dans une phase gazeuse) et la transpiration, où les scientifiques ont montré que les structures étaient capables de se refroidir en évaporant du liquide dans l'atmosphère tout en se remplissant d'un réservoir de liquide, comme la façon dont les plantes libèrent de la vapeur tout en reconstituant continuellement l'eau du sol.

"Nous avons certainement été inspirés par la nature, mais nous avons reconnu que les êtres humains sont loin de reproduire la nature dans toute son exquise complexité. Cependant, c'est une étape sur le chemin, " a expliqué le chercheur principal et ingénieur de recherche Eric Duoss. " Nous avons commencé à voir que nous pouvions contrôler de manière déterministe comment un liquide s'écoulerait dans l'architecture poreuse en programmant certains des attributs locaux à l'échelle microscopique de ces structures - c'était une sorte de révélation de ce point de vue . Nous avons découvert que nous pouvions non seulement contrôler l'arrangement et la propagation des liquides, nous pourrions également contrôler l'arrangement et la propagation des gaz. Lorsque vous avez le contrôle sur les deux, vous pouvez faire des choses assez incroyables."

La capacité de concevoir des interfaces gaz/liquide précises et des voies de transport préférées tout en contrôlant les taux de transport permettra aux scientifiques d'étudier expérimentalement et informatiquement les phénomènes capillaires et autres d'écoulement et de transport, et potentiellement transformer les disciplines impliquant des processus multiphasiques, y compris la microfluidique traditionnelle, qui sont principalement utilisés pour les diagnostics de santé au point de service, dispositifs d'organes sur puce et autres applications, les chercheurs ont dit.

"C'est une façon très différente de penser un écoulement microfluidique, où nous avons beaucoup d'interfaces air/liquide, », a déclaré Erika Fong, chercheuse et co-auteure du LLNL. « Par exemple, de nombreux dispositifs microfluidiques sont conçus pour effectuer des analyses biologiques mais ne sont pas facilement adoptés par les biologistes qui utilisent généralement des plaques à puits ouverts, auquel vous pouvez accéder très facilement manuellement, contrairement aux dispositifs microfluidiques fermés. Nous voyons cela comme un moyen qui peut aider à combler le fossé entre la microfluidique traditionnelle et les systèmes ouverts. »

Les chercheurs du LLNL ont déclaré que les concepts de fluidique cellulaire pourraient améliorer la technologie microfluidique actuelle en permettant un transport de fluide contrôlé dans des géométries complexes en 3D, alors que les systèmes microfluidiques actuels sont généralement plans et fermés, limitant leur capacité à reproduire des processus multiphasiques.

« Dans les plantes, l'eau et les nutriments sont transportés à travers un système vasculaire central vers les feuilles qui facilitent le transfert de gaz pour le métabolisme, " a déclaré le co-auteur et ingénieur de recherche LLNL Josh DeOtte. " Ici, nous examinons ces deux fonctions réunies dans un seul système - le transport de liquides et de gaz - et nous les lions en trois dimensions plutôt qu'en configurations plates. "

Pour tester l'intégration avec la microfluidique traditionnelle, L'ingénieur et co-auteur du LLNL, Hawi Gemeda, a mené des expériences d'écoulement actif à l'aide de pompes à seringue pour contrôler l'écoulement de liquides dans un appareil imprimé en 3D et a observé le comportement de l'écoulement. Les chercheurs ont découvert que les voies préférées pouvaient être programmées en contrôlant le type, taille et densité des mailles unitaires, et ont découvert qu'ils pouvaient améliorer la rétention de liquide dans des conditions d'écoulement actif grâce à une conception de structure précise.

Cette capacité a également permis aux chercheurs de modeler des régions sélectives des réseaux polymères imprimés en 3D avec des revêtements métalliques conducteurs et catalytiquement actifs.

En plus de faire progresser la microfluidique, les chercheurs ont déclaré que la fluidique cellulaire est prometteuse pour des applications dans l'espace extra-atmosphérique, où il permettrait le transport des fluides en l'absence de gravité, et dans la collecte d'échantillons d'aérosols et la filtration de gaz, en raison de la capacité de contrôler avec précision le contact entre les phases liquide et gazeuse. Il pourrait également améliorer le transfert de chaleur en incorporant des conceptions en treillis qui permettent aux structures de rester refroidies sur de longues périodes.

Alors que les chercheurs du laboratoire ont une longue liste de plans pour la technologie, leur objectif immédiat est d'appliquer la fluidique cellulaire aux réacteurs électrochimiques utilisés pour convertir le dioxyde de carbone en produits utiles. Le processus consiste à ajouter des électrons, protons et catalyseur de CO 2 subir des réactions complexes. Les chercheurs pensent que la fluidique cellulaire pourrait fournir un meilleur contrôle sur l'interface entre le CO gazeux 2 , l'électrolyte liquide et le catalyseur métallique, où ces réactions ont lieu.

L'équipe explore également l'utilisation de la fluidique cellulaire dans les bioréacteurs, dans lequel les bactéries consomment du méthane gazeux et excrètent des sous-produits organiques. La fluidique cellulaire pourrait être utilisée pour créer des parois extrêmement minces dans les réacteurs, améliorant ainsi la réactivité et permettant aux scientifiques de charger plus de bactéries dans les appareils pour améliorer les performances. Des travaux futurs sont prévus dans l'optimisation de la conception, co-conception fluide/mécanique, détection de menaces biologiques ou de matériaux énergétiques et même de matériaux vivants artificiels.

"Le problème avec ces environnements complexes est que nous n'avons pas eu un bon moyen de créer des systèmes modèles pour faciliter la compréhension de la science fondamentale. Par exemple, nous ne pouvons pas encore faire de poumons artificiels, où vous avez cette complexité d'avoir des gaz, liquides et solides co-présents, " dit Duoss, directeur du Centre des matériaux d'ingénierie et de fabrication de LLNL. "Mais maintenant, nous avons une plate-forme pour faire ces études fondamentales qui sont si importantes pour créer une compréhension. Avec cette nouvelle compréhension en main, nous aurons une opportunité incroyable de l'appliquer."

Le travail a été financé dans le cadre d'une initiative stratégique de recherche et développement dirigée par un laboratoire "Fabriquer des molécules pour la nouvelle économie du carbone". Les co-auteurs comprenaient les scientifiques du LLNL Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis et Sarah Baker.