Физики научились печатать водой в масле устойчивые трехмерные структуры

J. Forth et al./ Advanced Materials, 2018

Ученые разработали метод 3D-печати водой внутри вязкого силиконового масла. За счет образования на границе раздела двух жидкостей пленки из поверхностно-активных наночастиц напечатанные предложенным способом спиралевидные и разветвленные структуры сохраняли устойчивую форму в течение нескольких часов. Варьируя состав наночастиц, состав жидкости и скорость печати, можно изменять геометрию объектов, в том числе и после печати, пишут ученые в Advanced Materials.

Сегодня трехмерная печать уже стала неотъемлемым методом современных технологий и даже повседневной жизни. Ее используют для создания различных элементов автоматических устройств, при сборке роботов или для научных целей. При этом с помощью нее можно печатать не только небольшие фигурки или отдельные детали различных приборов, но и, например, дома. Обычно используются материалы, которые после печати за счет какого-то внешнего воздействия (облучения, температурного или химического воздействия) затвердевают. Задача печатать устойчивые трехмерные структуры из жидкости (например внутри другой жидкости) значительно сложнее из-за того, что в отличие от твердых тел, жидкость не имеет четкой структуры и не держит форму.

Однако ученые из США и Китая под руководством Томаса Расселла (Thomas P. Russell) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли не посчитали эту задачу невыполнимой и предложили метод трехмерной печати водой или водными растворами внутри очень вязкого силиконового масла. Подход, предложенный авторами исследования, основан на создании вокруг жидкости пленки из поверхностно-активного вещества, которая делает напечатанную структуру устойчивой в течение довольно долгого времени.

Образование такой пленки в предложенной методике происходит за счет того, что используемое силиконовое масло содержит, кроме обычных цепочек полидиметилсилоксана (ПДМС), еще пять процентов молекул ПДМС, к концам которых пришиты аминогруппы. В свою очередь в воде содержатся наночастицы (металлические или оксидные), на поверхности которых находятся карбоксильные группы. При контакте воды с маслом во время печати эти карбоксильные группы на поверхности наночастиц реагируют с аминогруппами ПДМС, образуя устойчивую химическую связь, и наночастицы оказываются таким образом «заякорены» на межфазной границе, формируя при этом устойчивую упругую пленку вокруг водной струи.

Используя предложенный механизм, авторы работы смогли получить несколько различных жидких структур, спиралеобразной или разветвленной формы длиной в несколько сантиметров. Время, в течение которого полученные спирали сохраняли устойчивую форму, достигало нескольких часов. При этом за счет изменения диаметра иглы шприца, который используется для печати, и скорости потока жидкости, можно варьировать толщину напечатанного водного канала от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров.

Авторы исследования отмечают, что кроме увеличения устойчивости напечатанной структуры, пленка на границе вода/масло может выполнять и другие функции, которые зависят от свойств используемых частиц. Например, из частиц магнетита можно получить магнитную пленку на границе вода-масло, а если использовать золотые наночастицы, то пленка сможет поглощать свет, возбуждая при этом поверхностные плазмоны.

При этом за счет того, что вся система — как внешняя среда, так и напечатанная структура — находится в жидком состоянии, то ее геометрию можно менять уже после печати, например, в ответ на какое-то внешнее воздействие. В качестве одного из таких способов ученые предложили использовать изменение в водном растворе концентрации щелочи, которое приводит к разрушению химической связи между маслом и наночастицами, что приводит к локальному сужению или разрыву канала.


По словам авторов работы, с помощью предложенного ими метода можно создавать материалы для жидкостной электроники, систем молекулярного транспорта, а также создавать микрореакторы нужной формы для проведения многофазных реакций или биологического анализа.

Обычно при 3D-печати вода используется не в качестве чернил а как вспомогательный элемент для дополнительных функций. Например, американские исследователи предложили использовать воду для превращения трехмерной печати в четырехмерную. Дополнительное измерение у этой печати появляется за счет изменения формы напечатанных объектов с течением времени, которого удается добиться при контакте с водой.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.