LLNL利用多材料3D打印技術(shù)推進(jìn)細(xì)胞流體學(xué)

2025年2月8日，南極熊獲悉，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)研究人員在多材料3D打印領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展，他們利用毛細(xì)作用的力量開發(fā)了一種新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)涉及一系列定制設(shè)計(jì)的單元，這些單元能夠選擇性地吸收流體材料，并將它們精確地引導(dǎo)成特定圖案。這使得工程師能夠使用原本無法打印的材料或結(jié)合具有顯著不同屬性的材料，制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

△這項(xiàng)研究已發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》期刊上，這項(xiàng)技術(shù)將有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極高的強(qiáng)度與重量比、增大表面積或?qū)崿F(xiàn)精確變形等特性

LLNL材料工程部 (MED) 的工程師兼論文第一作者Hawi Gemeda指出：“通過將一些打印和圖案化技術(shù)分離，我們可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的多材料結(jié)構(gòu)，而無需總是依賴打印材料�！�

LLNL醫(yī)學(xué)博士研究員兼合著者Nik Dudukovic補(bǔ)充說：“本質(zhì)上，我們是在開放的孔隙中捕獲液滴或液流，這些并沒有被完全封閉。這使得我們能夠?qū)④洸牧虾碗S后凝固的填充液體組合成堅(jiān)硬的材料，從而產(chǎn)生一些獨(dú)特的機(jī)械特性�！�

△LLNL的3D打印的微結(jié)構(gòu)能夠容納和流動(dòng)流體，從而在液體和氣體之間形成廣泛且可控的界面（傳送門）

自由控制晶格結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)完全的多尺度、多材料3D打印，本質(zhì)上將為設(shè)計(jì)帶來無限可能。通過結(jié)合多種材料，可以創(chuàng)造出前所未有的特性，而增材制造技術(shù)則能輕松地生產(chǎn)具有特殊屬性的形狀，如晶格和螺旋體，這些形狀的尺寸是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以企及的。

Dudukovic指出：“通過不同的圖案化方式對(duì)兩種材料進(jìn)行組合，可以顯著改變結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。因此，如果你掌握了相關(guān)的物理原理，你就擁有一個(gè)探索各種機(jī)械響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。”

通常，多材料增材制造需要復(fù)雜的設(shè)備設(shè)置或?qū)Ｓ玫脑O(shè)備，并且僅限于可進(jìn)行3D打印的材料。該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而利用他們?cè)?021年開發(fā)的細(xì)胞流體技術(shù)，作為一種潛在的替代方案。細(xì)胞流體單元是毫米級(jí)別的3D打印結(jié)構(gòu)，能夠利用毛細(xì)作用在開放空間中容納并流動(dòng)液體和氣體，而不會(huì)發(fā)生泄漏。在這一尺度下，毛細(xì)作用通過表面張力、粘附力和內(nèi)聚力的綜合作用，使得流體能夠在開放空間中逆重力流動(dòng)，類似于水在紙巾上爬升的現(xiàn)象。

研究人員運(yùn)用細(xì)胞流體學(xué)原理設(shè)計(jì)了單元細(xì)胞——晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)建塊。這些單元細(xì)胞是通過計(jì)算設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建的，能夠限制液體材料并精確控制它的流動(dòng)方向。他們首先打印出一個(gè)晶格支架以確定形狀，隨后將定向的單元細(xì)胞排列成特定圖案，確保填充的液體材料僅能按照預(yù)定的方式流動(dòng)。這一過程創(chuàng)造了一種開放式3D模具。令人矚目的是，這種創(chuàng)新的單元細(xì)胞在首次嘗試中即取得了成功。

Dudukovic強(qiáng)調(diào)：“這項(xiàng)研究不僅極為有益，而且非常罕見。它證明了我們能夠極其自信地控制這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的流體流動(dòng)方向�！�

△采用晶格結(jié)構(gòu)打印的樣件

晶格圖案化

細(xì)胞流體圖案化極大地?cái)U(kuò)展了填充流體與周圍大氣之間的接觸表面積，為涉及氣體與液體交互作用的應(yīng)用帶來了巨大潛力。這種技術(shù)將成為傳感與檢測(cè)、生物反應(yīng)器、電化學(xué)系統(tǒng)、碳捕獲平臺(tái)等領(lǐng)域的潛在顛覆者。

為了探究圖案化液體生產(chǎn)多材料固體的可能性，該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了多種單元細(xì)胞排列方式，包括45度旋轉(zhuǎn)或離散口袋等，而不是傳統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu)。他們還嘗試了設(shè)計(jì)僅在受壓時(shí)吸收液體的細(xì)胞，這可能為自修復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一條新途徑。

Dudukovic表示：“這表明，未來我們或許能夠設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)，使用聚合物填充并原位固化，從而在晶格承受巨大應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化�！�

△這項(xiàng)技術(shù)未有望用于多種領(lǐng)域，尤其是在零重力條件下的航空航天方向

盡管目前展示的格子僅是一個(gè)演示樣例，但這項(xiàng)技術(shù)未來有望用于制造生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所需的混合生物材料，以及航空航天工業(yè)中復(fù)雜且輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

Gemeda希望通過將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到陶瓷、金屬和生物材料等其它復(fù)合系統(tǒng)，進(jìn)一步拓展設(shè)計(jì)空間。她探索了利用單元細(xì)胞在同一支架中對(duì)多種材料進(jìn)行圖案化的可能性，并期望這能激發(fā)增材制造社區(qū)利用他們的研究成果，以擴(kuò)展多材料、多尺度的能力。