Inspirados pela maneira como as plantas absorvem e distribuem água e nutrientes, os pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) desenvolveram um método inovador para o transporte de líquidos e gases usando design de rede impressa em 3D e fenômenos de ação capilar.
Em um artigo publicado hoje na Nature e apresentado na capa da publicação, os pesquisadores do LLNL descrevem estruturas micro-arquitetadas impressas em 3D, capazes de conter e fluir fluidos para criar contatos extensos e controlados entre líquidos e gases. As estruturas ordenadas, porosas e de células abertas facilitam a ação capilar impulsionada pela tensão superficial (o movimento do líquido através de pequenos poros devido às forças de adesão e coesão) nas células unitárias – semelhante a uma árvore puxando água do solo ou uma toalha de papel absorvendo um derramamento – e permite o transporte de líquido e gás por todas as estruturas.
Os pesquisadores disseram que a técnica inovadora pode ter impactos transformadores e de amplo alcance em vários campos envolvendo processos multifásicos (gás / líquido / sólido), incluindo reatores eletroquímicos ou biológicos usados para converter dióxido de carbono ou metano em energia, microfluídicos avançados, dessalinização solar, filtração de ar , transferência de calor, resfriamento por transpiração e entrega de fluidos em ambientes de baixa gravidade ou gravidade zero.
“Usando essa abordagem, podemos projetar e imprimir mídia porosa ordenada com muitos graus de controle sobre como os líquidos e gases se comportam dentro dessas estruturas”, disse o autor principal e cientista da equipe do LLNL, Nikola Dudukovic. “Meios porosos – como esponjas, papel ou tecidos – geralmente tendem a ter microestrutura desordenada e, portanto, são difíceis de descrever analiticamente e computacionalmente. Fluidos celulares permitem que você, de certa forma, crie uma ‘esponja’ ordenada, onde líquidos e gases viajam exatamente onde você quer que eles vão. ”
Aproveitando anos de pesquisa de laboratório em impressão em 3D, design de rede hierárquica e tecnologia de litografia microestéreo de projeção de grande área desenvolvida pelo LLNL (LAPuSL) – uma impressora baseada em luz que pode produzir recursos extremamente pequenos em grande escala – os pesquisadores construíram vários fluidos estruturas preenchidas para estudar diferentes tipos de transporte multifásico e fenômenos de reação.
Os processos que demonstraram incluíram absorção (captura de CO2 gasoso em um líquido), evaporação (o transporte de líquido para uma fase gasosa) e transpiração, onde os cientistas mostraram que as estruturas eram capazes de resfriar-se evaporando líquido para a atmosfera enquanto se reabasteciam de um reservatório de líquido, como a forma como as plantas liberam vapor enquanto continuamente reabastecem a água do solo.
“Certamente fomos inspirados pela natureza, mas reconhecemos que os seres humanos estão muito aquém de replicar a natureza em toda a sua complexidade primorosa. No entanto, este é um passo ao longo do caminho”, explicou o investigador principal e engenheiro de pesquisa Eric Duoss. “Começamos a ver que poderíamos controlar deterministicamente como um líquido fluiria para a arquitetura porosa programando alguns dos atributos locais em microescala dessas estruturas – foi uma espécie de epifania desse ponto de vista. Descobrimos que não podíamos apenas controlar o arranjo e a propagação de líquidos, também podemos controlar o arranjo e a propagação dos gases. Quando você tem controle sobre ambos, pode fazer coisas incríveis. ”
A capacidade de projetar interfaces de gás / líquido precisas e vias de transporte preferidas, enquanto exibe controle sobre as taxas de transporte, permitirá aos cientistas estudar experimentalmente e computacionalmente o capilar e outros fenômenos de fluxo e transporte, e potencialmente transformar disciplinas envolvendo processos multifásicos, incluindo microfluídicos tradicionais, que são principalmente usado para diagnósticos de saúde point-of-care, dispositivos organ-on-a-chip e outras aplicações, disseram os pesquisadores.
“Esta é uma maneira muito diferente de pensar em um fluxo microfluídico, onde temos muitas interfaces ar / líquido”, disse a pesquisadora e co-autora do LLNL, Erika Fong. “Por exemplo, muitos dispositivos microfluídicos são projetados para fazer ensaios biológicos, mas não são facilmente adotados por biólogos que geralmente usam placas de poços abertos, que você pode acessar facilmente manualmente, ao contrário dos dispositivos microfluídicos fechados. Vemos isso como uma forma que pode ajudar a fazer a ponte a lacuna entre a microfluídica tradicional e os sistemas abertos. ”
Os pesquisadores do LLNL disseram que os conceitos de fluídica celular podem melhorar a tecnologia microfluídica atual, permitindo o transporte de fluido controlado em geometrias complexas em 3D, enquanto os sistemas microfluídicos de hoje são normalmente planos e fechados, limitando sua capacidade de reproduzir processos multifásicos.
“Nas plantas, a água e os nutrientes são transportados através de uma vasculatura central para as folhas que facilitam a transferência de gás para o metabolismo”, disse o co-autor e engenheiro de pesquisa do LLNL, Josh DeOtte. “Aqui, estamos olhando para ambas as funções agrupadas em um sistema – transporte de líquido e gás – e amarrando isso em três dimensões em vez de configurações planas.”
Para testar a integração com a microfluídica tradicional, o engenheiro e coautor do LLNL Hawi Gemeda conduziu experimentos de fluxo ativo usando bombas de seringa para controlar o fluxo de líquidos em um dispositivo impresso em 3D e observou o comportamento do fluxo. Os pesquisadores descobriram que as vias preferenciais podem ser programadas controlando o tipo, tamanho e densidade das células unitárias, e descobriram que podem melhorar a retenção de líquidos sob condições de fluxo ativo por um projeto de estrutura precisa.
Essa capacidade também permitiu aos pesquisadores padronizar regiões seletivas das redes de polímero impressas em 3D com revestimentos metálicos condutores e cataliticamente ativos.
Além do avanço da microfluídica, os pesquisadores disseram que a fluídica celular é promissora para aplicações no espaço sideral, onde permitiria o transporte de fluido na ausência de gravidade e na coleta de amostras de aerossol e filtração de gás, devido à capacidade de controlar com precisão o contato entre o líquido e o gás fases. Ele também pode melhorar a transferência de calor incorporando designs de treliça que permitem que as estruturas permaneçam resfriadas por longos períodos de tempo.
Embora os pesquisadores do laboratório tenham uma longa lista de planos para a tecnologia, seu objetivo imediato é aplicar fluidos celulares a reatores eletroquímicos usados para converter dióxido de carbono em produtos úteis. O processo envolve a adição de elétrons, prótons e um catalisador para que o CO2 passe por reações complexas. Os pesquisadores acreditam que os fluidos celulares podem fornecer maior controle sobre a interface entre o CO2 gasoso, o eletrólito líquido e o catalisador metálico, onde essas reações ocorrem.
A equipe também está explorando o uso de fluídica celular em biorreatores, nos quais as bactérias consomem metano gasoso e excretam subprodutos orgânicos. Os fluidos celulares podem ser usados para criar paredes extremamente finas nos reatores, melhorando assim a reatividade e permitindo que os cientistas carreguem mais bactérias nos dispositivos para melhorar o desempenho. O trabalho futuro está planejado em otimização de projeto, co-projeto fluido / mecânico, detecção de ameaças biológicas ou materiais energéticos e até mesmo materiais vivos projetados.
“O problema com esses ambientes complexos é que não tivemos uma boa maneira de criar sistemas modelo para facilitar a compreensão da ciência fundamental. Por exemplo, ainda não podemos fazer pulmões artificiais, onde você tem essa complexidade de ter gases, líquidos e sólidos co-presentes “, disse Duoss, diretor do Centro de Materiais de Engenharia e Manufatura do LLNL. “Mas agora o que temos é uma plataforma para fazer aqueles estudos fundamentais que são tão importantes para criar entendimento. Com esse novo entendimento em mãos, teremos uma oportunidade incrível de aplicá-lo.”
O trabalho foi financiado por uma Iniciativa Estratégica de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigida por Laboratório “Manufaturando Moléculas para a Nova Economia do Carbono”. Os co-autores incluem os cientistas do LLNL Maira Cerón, Bryan Moran, Jonathan Davis e Sarah Baker.
Publicado em 05/07/2021 16h17
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