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从大自然中汲取灵感 ， 突破性的“细胞流体”技术可能会产生广泛的影响受植物吸收和分配水分和养分方式的启发 ， 劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 的研究人员开发了一种突破性的方法 ， 利用 3D 打印的晶格设计和毛细作用现象来运输液体和气体 。 在《自然》杂志封面上的一篇论文中 ， LLNL 研究人员描述了 3D 打印的微结构结构 ， 该结构能够容纳和流动流体 ， 从而在液体和气体之间产生广泛且可控的接触 。 有序、多孔和开孔的结构促进了单位细胞中表面张力驱动的毛细作用（由于粘附和内聚力 ， 液体通过小孔的运动）——类似于从土壤中吸水的树或吸水的纸巾泄漏-并使液体和气体在整个结构中运输 。
【从大自然中汲取灵感，突破性的“细胞流体”技术可能会产生广泛的影响】
研究人员表示 ， 这项突破性技术可能对涉及多相（气体/液体/固体）过程的众多领域产生变革性和广泛的影响 ， 包括用于将二氧化碳或甲烷转化为能源的电化学或生物反应器、先进的微流体、太阳能海水淡化、空气过滤、传热、蒸腾冷却和低重力或零重力环境中的流体输送 。 “使用这种方法 ， 我们可以设计和打印有序的多孔介质 ， 对液体和气体在这些结构中的行为具有多种程度的控制 ， ”主要作者和 LLNL 工作人员科学家 Nikola Dudukovic 说 。 “多孔介质——如海绵、纸或织物——通常倾向于具有无序的微观结构 ， 因此难以通过分析和计算来描述 。 从某种意义上说 ， 细胞流体技术可以让你创造一个有序的‘海绵’ ， 让液体和气体准确地流向你想要它们去的地方 。 ”利用实验室多年对 3D 打印、分层晶格设计的研究和 LLNL 开发的大面积投影微立体光刻 (LAPuSL)技术——一种基于光的打印机 ， 可以大规模产生极小的特征——研究人员构建了各种流体-填充结构来研究不同种类的多相传输和反应现象 。
层次格子
利用多年来实验室对 3D 打印、分层晶格设计和 LLNL 开发的大面积投影微立体光刻 (LAPuSL) 技术的研究 ， LLNL 工程师构建了各种充满流体的结构来研究不同种类的多相传输和反应现象 。 照片由 Nikola Dudukovic/LLNL 拍摄 。 他们展示的过程包括吸收（将气态 CO 2捕获到液体中）、蒸发（将液体输送到气相中）和蒸腾作用 ， 科学家们证明这些结构能够通过将液体蒸发到大气中来冷却自身 ， 同时从一个蓄水池 ， 就像植物在不断从土壤中补充水分的同时释放蒸汽一样 。 “我们当然受到了大自然的启发 ， 但我们认识到人类远远没有复制大自然的所有精致复杂性 。 然而 ， 这是前进的一步 ， ”首席研究员兼研究工程师 Eric Duoss 解释道 。 “我们开始看到 ， 我们可以通过编程这些结构的一些局部微观属性来确定性地控制液体如何流入多孔结构——从这个角度来看 ， 这是一种顿悟 。 我们发现我们不仅可以控制液体的排列和传播 ， 还可以控制气体的排列和传播 。 当你能控制这两者时 ， 你可以做一些非常不可思议的事情 。 ”设计精确的气/液界面和首选传输路径的能力 ， 同时表现出对传输速率的控制 ， 将使科学家能够通过实验和计算研究毛细管和其他流动和传输现象 ， 并有可能改变涉及多相过程的学科 ， 包括传统的微流体 ， 这主要是研究人员表示 ， 用于医疗点健康诊断、器官芯片设备和其他应用 。
LLNL 研究员和合著者 Erika Fong 说：“这是一种非常不同的微流体思考方式 ， 我们确实有很多空气/液体界面 。 ” “例如 ，许多微流体设备旨在进行生物分析 ， 但通常使用开放式孔板的生物学家不容易采用 ， 与封闭式微流体设备不同 ， 您可以非常轻松地手动访问这些设备 。 我们认为这是一种可以帮助弥合传统微流体和开放系统之间差距的方法 。 ”LLNL 研究人员表示 ， 细胞流体概念可以通过允许在 3D 中复杂几何形状中的受控流体传输来改进当前的微流体技术 ， 而今天的微流体系统通常是平面和封闭的 ， 限制了它们再现多相过程的能力 。 “在植物中 ， 水和养分通过中央脉管系统输送到叶子 ， 促进新陈代谢的气体转移 ， ”共同作者和 LLNL 研究工程师 Josh DeOtte 说 。 “在这里 ， 我们正在研究将这两种功能整合到一个系统中——液体和气体运输——并将其绑定到三个维度而不是平面配置中 。 ”为了测试与传统微流体的集成 ， LLNL 工程师和合著者 Hawi Gemeda 领导了主动流动实验 ， 使用注射泵控制液体流入 3D 打印设备并观察流动行为 。 研究人员发现 ， 可以通过控制晶胞的类型、大小和密度来编程首选路径 ， 并发现它们可以通过精确的结构设计提高主动流动条件下的液体保留 。 这种能力还使研究人员能够用导电和催化活性金属涂层对 3D 打印聚合物晶格的选择性区域进行图案化 。
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