Фізики навчилися друкувати водою в олії стійкі тривимірні структури

Вчені розробили метод 3D-друку водою всередині в'язкої силіконової олії. За рахунок утворення на кордоні розділу двох рідин плівки з поверхнево-активних наночастинок надруковані запропонованим способом спіралевидні і розгалужені структури зберігали стійку форму протягом декількох годин. Варіюючи склад наночастинок, склад рідини і швидкість друку, можна змінювати геометрію об'єктів, в тому числі і після друку, пишуть вчені в.

Сьогодні тривимірний друк вже став невід'ємним методом сучасних технологій і навіть повсякденного життя. Її використовують для створення різних елементів автоматичних пристроїв, при збиранні роботів або для наукових цілей. При цьому за допомогою неї можна друкувати не тільки невеликі фігурки або окремі деталі різних приладів, але і, наприклад, будинки. Зазвичай використовуються матеріали, які після друку за рахунок якогось зовнішнього впливу (опромінення, температурного або хімічного впливу) затвердівають. Завдання друкувати стійкі тривимірні структури з рідини (наприклад всередині іншої рідини) значно складніше через те, що на відміну від твердих тіл, рідина не має чіткої структури і не тримає форму.

Однак вчені з США і Китаю під керівництвом Томаса Расселла (Thomas P. Russell) з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі не вважали це завдання нездійсненним і запропонували метод тривимірного друку водою або водними розчинами всередині дуже в'язкої силіконової олії. Підхід, запропонований авторами дослідження, заснований на створенні навколо рідини плівки з поверхнево-активної речовини, яка робить надруковану структуру стійкою протягом досить довгого часу.

Утворення такої плівки в запропонованій методиці відбувається за рахунок того, що використовувана силіконова олія містить, крім звичайних ланцюжків полідіметилсілоксану (ПДМС), ще п'ять відсотків молекул ПДМС, до кінців яких пришиті аміногрупи. У свою чергу у воді містяться наночастинки (металеві або оксидні), на поверхні яких знаходяться карбоксильні групи. При контакті води з маслом під час друку ці карбоксильні групи на поверхні наночастинок реагують з аміногрупами ПДМС, утворюючи стійкий хімічний зв'язок, і наночастинки виявляються таким чином «заякорені» на міжфазному кордоні, формуючи при цьому стійку упругу плівку навколо водного струменя.

Використовуючи запропонований механізм, автори роботи змогли отримати кілька різних рідких структур, спіралеподібної або розгалуженої форми довжиною в кілька сантиметрів. Час, протягом якого отримані спіралі зберігали стійку форму, сягав декількох годин. При цьому за рахунок зміни діаметра голки шприца, який використовується для друку, і швидкості потоку рідини, можна варіювати товщину надрукованого водного каналу від декількох десятків до декількох сотень мікрометрів.

Автори дослідження зазначають, що крім збільшення стійкості надрукованої структури, плівка на кордоні вода/олія може виконувати й інші функції, які залежать від властивостей використовуваних частинок. Наприклад, з частинок магнетиту можна отримати магнітну плівку на кордоні вода-олія, а якщо використовувати золоті наночастинки, то плівка зможе поглинати світло, збуджуючи при цьому поверхневі плазмони.

При цьому за рахунок того, що вся система - як зовнішнє середовище, так і надрукована структура - знаходиться в рідкому стані, то її геометрію можна змінювати вже після друку, наприклад, у відповідь на якийсь зовнішній вплив. В якості одного з таких способів вчені запропонували використовувати зміну у водному розчині концентрації лужа, яке призводить до руйнування хімічного зв'язку між маслом і наночастинками, що призводить до локального звуження або розриву каналу.

За словами авторів роботи, за допомогою запропонованого ними методу можна створювати матеріали для рідинної електроніки, систем молекулярного транспорту, а також створювати мікрореактори потрібної форми для проведення багатофазних реакцій або біологічного аналізу.

Зазвичай при 3D-друку вода використовується не як чорнила а як допоміжний елемент для додаткових функцій. Наприклад, американські дослідники запропонували використовувати воду для перетворення тривимірного друку на чотиримірну. Додатковий вимір у цьому друку з'являється за рахунок зміни форми надрукованих об'єктів з плином часу, якого вдається домогтися при контакті з водою.