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用聲波列印:科學家發明新型列印術,印表機方式可用於一切材料

9月
15
2018

2018年9月15日03時 今日科學 IEEE中國

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近日,哈佛大學的研究人員發明了一種新型聲波列印技術:利用聲波產生的力精確控制用於列印的液滴,將讓噴墨式列印不再受材料限制,而且適用的列印材料範圍前所未有地廣泛。

這項技術在新型生物製藥、化妝品和食品製造行業有很大的應用潛力,也將給光學材料和導電材料領域的發展也帶來了新的可能性。

這項研究成果於 8 月 31 日發表在著名國際期刊《科學進展》(Science Advances)上。

論文的通訊作者、哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)的生物工程學教授 Jennifer Lewis 說:「我們發明的這種聲波列印技術,利用了聲波產生的力,能按照需求列印任意的材料。」 Lewis 教授也是哈佛大學威斯生物工程研究所(Wyss Institute forBiologically Inspired Engineering)的核心教員。

圖 | 在聲波列印中,聲波產生可控的力,當噴嘴處液滴達到某個尺寸時,能將液滴拽離噴嘴並射向基座,就像從樹上摘下一個個蘋果。來源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

從自然界乃至工業界,小小的液滴都有很多應用,比如油墨列印以及藥物遞送系統中用到的微膠囊。

噴墨列印(Inkjet printing)是一種非常常見的列印技術,通過將墨滴噴射到紙張、塑料或其他基座上來重建數字圖像。印表機就是基於這一技術。

這一技術的特點是只適用於那些粘度僅比水的粘度高約 10 倍的液體,但是實際上很多研究人員感興趣的液體在粘度方面恰恰遠比這要高。比如,在生物醫藥和生物列印中至關重要的聚合物以及細胞混合液等生物墨水,它們的粘度至少要比水高出 100 倍。此外,一些糖基的生物聚合物甚至像蜂蜜一樣粘稠,粘度高達水的 2.5 萬倍之多!

另一方面,這些液體的粘度也會隨著溫度和成分的變化而發生劇烈的變化,因此想要優化列印參數以控制液滴的尺寸就變得更加困難。

圖 | 蜂蜜是一種典型的粘稠液體,比水的粘稠度要高 2.5 萬倍。聲波列印適用於形成任意液體的液滴,能從充滿蜂蜜的墨盒中產生極其微小的單個蜂蜜液滴。來源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

「我們的目標是開發一套不受液體材料特性限制的列印系統,尤其是要不受液體粘度影響」,論文的第一作者 Daniele Foresti 說。Daniele Foresti 是科學學會 Branco Weiss 會員(Society in Science - BrancoWeiss Fellow),也是哈佛大學工程與應用科學學院和威斯生物工程研究所材料科學與機械工程系的助理研究員。

圖 | 在聲波列印中,噴射出的液滴能以任意的排布沉積在基底上。本圖是將蜂蜜液滴陣列列印在玻璃片上。來源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

眾所周知,由於重力作用,所有的液滴都會往下滴——不管是沿著水龍頭快速滴下的水,還是數年才會落下一滴的瀝青。然而,如果列印時僅有重力的作用,液滴的尺寸就會很大,並且液滴的滴落速率很難控制。在著名的瀝青滴漏實驗中,每十年才會有一滴瀝青滴落,科學家據此估測瀝青的粘度大約是水的 2000 億倍。

為了增強列印時形成液滴的能力,研究人員將目光轉向了聲波。聲波是一種壓力波,研究者通常利用這種壓力波來對抗重力作用,就像是聲懸浮(acoustic levitation)中的原理。現在,研究者反過來利用這種聲波壓力來輔助重力作用,從而發明了這種新型列印技術:聲波列印(acoustophoretic printing)。

圖 | 聲懸浮儀的工作原理。註:聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應,其基本原理是利用聲柱波與物體的相互作用產生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量,同時產生水平方向的定位力將物體固定於聲壓波節處。來源:百度百科

為此,研究人員搭建了一個亞波長聲波諧振器用來生成一個高度局域化的聲場,這個聲場所產生的拉力遠超過列印噴嘴頂端法向重力(1G)的 100 倍,甚至達到太陽表面引力的 4 倍之多!

當液滴達到特定的尺寸時,這種可控的聲壓能將液滴從噴嘴中拉出,並將其射向列印基底。在這個過程中,聲波的振幅越高,液滴的尺寸就越小,而與流體的粘度無關。

圖 | 聲波列印用於液態金屬的列印。來源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

研究者使用了空氣超聲波(airborne ultrasounds),這一技術基本不受材料影響,所以即使是液態金屬也能很容易的列印出來。

Foresti 稱:「這個技術的關鍵是產生一個高強的聲場,能從噴嘴處拽下一個個微小的液滴,就像是從樹上摘蘋果一樣。」

為了驗證該技術的性能,研究人員測試了各種各樣的材料,從高粘度的蜂蜜到生物工程常用的幹細胞生物墨水、生物聚合物等,此外還有光學樹脂、甚至是液態金屬等。值得注意的是,聲波並不會通過液滴而傳播,因此即使是易損的生物載體,如活細胞或蛋白質大分子等,這種方法也是安全有效的。

「我們的技術應該會對製藥業產生立竿見影的影響,」Lewis 說,「不過,我們相信這也會成為其他多個行業的重要平台。」

「這是合作研究廣度和深度相結合的一個精妙而有影響力的例子,」美國國家科學基金會(NSF)材料研究科學與工程中心(MRSEC)項目主任 Dan Finotello 說,「作者開發了一種新型的聲學列印平台,與其他方法對比最大的優勢是其與材料性質無關,因此具有很好的列印通用性。(它的)應用空間是無限的。」

這項研究的其他共同作者是 Katharina Kroll、Robert Amissah、Francesco Sillani、Kimberly Homan 和 Dimos Poulikakos。哈佛大學技術發展辦公室(Office of Technology Development)以申報該項目有關的智慧財產權,並且正在商業化該技術。

該研究由科學學會 Branco Weiss 資金以及美國國家科學基金會通過哈佛大學材料科學與工程研究中心(MRSEC)資助。

編輯:Lisa

參考:

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