多孔材料对于许多化学过程至关重要，例如光捕获、吸附、催化、能量转移，甚至电子材料新技术。因此，人们做出了许多努力来控制不同制造材料的孔隙率。
为了解决这个问题，波兰科学院物理化学研究所的研究人员最近展示了一种新颖的微流体技术，该技术可以动态控制液滴体积生成乳液，从而大规模改变3D打印基质的化学成分使用对齐的喷嘴来输送孔隙率完全受控的多孔材料。
从化学合成、环境研究到能源生产领域，形状和孔径可控的多孔材料在各个领域都有很高的需求。根据材料的化学成分，可以通过发泡、挤出、注浆、造粒、静电纺丝、喷雾干燥、造粒、乳化和许多其他方法(包括制造方法的列表更长)来实现孔隙率。
无论使用何种技术，这些技术中孔径和形状的控制仍然存在一些局限性。无论孔隙、空腔、通道或裂隙的形状是圆柱形、墨瓶形、漏斗形、球形还是其他形状，控制它们的大小、形状和在材料中的逐渐分布仍然是一个挑战。尤其是在准备大型功能结构时。
然而，由于波兰科学院物理化学研究所(IPCPAS)的研究人员提出了一种新型微流体模块的设计，可以生产出具有受控孔径和分布在整个合成体积中的多孔材料。材料。
研究人员将微流体装置与定制3D打印机相结合，在琼脂糖凝胶浴中生成并挤出水包油乳液，然后进行聚合，从而可以控制3D打印水凝胶中的独特结构。
然而，这一切都始于微流体技术的应用，该技术允许控制微小微通道中不混溶流体的流动，以产生体积一致的小液滴，范围从飞升到纳升。尽管这种技术在世界范围内众所周知，并且已经广泛发展了三十年，但大多数方法产生的液滴的体积在很大程度上取决于流速。
因此，在乳液3D挤出过程中控制液滴直径是一项具有挑战性的任务，因为流量应保持恒定。在最近发表在《LabontheChip》杂志上的一篇论文中，IPCPAS的研究人员提出了一种新的微流体技术，可以动态控制液滴直径，而不改变乳化相的挤出速率。
科学家们将现有技术(分步乳化)与柔性膜相结合，可以改变喷嘴的几何形状，从而调节膜上的压力。喷嘴高度的降低使液滴直径减小了三个数量级，并成功地针对不同的流速进行了测试。
这种可调步骤(也称为金枪鱼步骤)允许生成水包油(O/W)和油包水(W/O)乳液，其液滴尺寸和体积分数发生变化，同时保持恒定的挤出速率。
MarcoCostantini博士声称：“在我们的工作中，我们展示了喷嘴几何形状的变化如何控制液滴尺寸和体积分数。在这里，我们首先分析了金枪鱼步骤如何有效地用于生产W/O和O/W乳液，后者的实现得益于我们另外开发的创新亲水性PDMS表面改性策略。”
“随后，我们将金枪鱼步骤集成到定制3D打印平台中，并将O/W乳液挤出到颗粒状琼脂糖流体凝胶浴中。这种策略可以进一步将乳液墨水的流变特性与其可打印性分开，并实现精确的空间挤压过程中的定位。”
由于使用两种不同的配置来创建水包油乳液，因此研究人员使用聚二甲基硅氧烷(也称为PDMS)对芯片表面进行了定制的亲水改性，以防止其在暴露于十六烷等有机溶剂时膨胀。
这一过程使我们能够在水中连续生成近24小时的油滴，这与3D打印技术相结合，使得打印与不同孔隙率和成分的功能梯度材料的聚合相结合成为可能。到目前为止，通过所提出的实验装置，在单一材料中组合成分梯度、微结构或两种类型的梯度可以创造出多种具有独特结构和功能特征的不同材料。
上述研究结果不仅表明我们的金枪鱼步设计适用于乳液和材料科学的3D打印，而且还展示了未来潜在的应用。此外，3D打印可以同时使用多个喷嘴进行，使得所提出的装置成为生产多孔材料的多功能工具。
“我们的多功能设计使我们能够通过在不同连续相之间快速切换来额外实现多材料3D沉积。最后，我们通过使用14喷嘴设备产生液滴来展示金枪鱼步骤的可扩展潜力，从而将系统吞吐量提高了系数约为14，这对于制造整个体积内孔隙率受控的宏观水凝胶来说特别重要。”马可·科斯坦蒂尼。
为什么控制孔隙率如此重要?如前所述，有许多领域都涉及这一特征，从能源(例如超级电容器的多孔基质)到软组织增强生物组件。拟议的项目使我们更接近于通过受控设计轻松生产多孔子结构，就像具有逐渐孔隙率的骨或软骨植入物一样，但使用拟议技术可以生产的材料清单肯定要长得多。
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！