LLNL利用多材料3D打印技術(shù)推進(jìn)細(xì)胞流體學(xué)

2025年2月8日,，南極熊獲悉，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)研究人員在多材料3D打印領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展,，他們利用毛細(xì)作用的力量開發(fā)了一種新技術(shù),。這項技術(shù)涉及一系列定制設(shè)計的單元，這些單元能夠選擇性地吸收流體材料,，并將它們精確地引導(dǎo)成特定圖案,。這使得工程師能夠使用原本無法打印的材料或結(jié)合具有顯著不同屬性的材料，制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu),。

△這項研究已發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》期刊上,，這項技術(shù)將有助于設(shè)計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)極高的強(qiáng)度與重量比,、增大表面積或?qū)崿F(xiàn)精確變形等特性

LLNL材料工程部 (MED) 的工程師兼論文第一作者Hawi Gemeda指出：“通過將一些打印和圖案化技術(shù)分離,，我們可以實現(xiàn)一些復(fù)雜的多材料結(jié)構(gòu)，而無需總是依賴打印材料,�,！�

LLNL醫(yī)學(xué)博士研究員兼合著者Nik Dudukovic補(bǔ)充說：“本質(zhì)上，我們是在開放的孔隙中捕獲液滴或液流,，這些并沒有被完全封閉,。這使得我們能夠?qū)④洸牧虾碗S后凝固的填充液體組合成堅硬的材料，從而產(chǎn)生一些獨(dú)特的機(jī)械特性,�,！�

△LLNL的3D打印的微結(jié)構(gòu)能夠容納和流動流體，從而在液體和氣體之間形成廣泛且可控的界面（傳送門）

自由控制晶格結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)完全的多尺度,、多材料3D打印,，本質(zhì)上將為設(shè)計帶來無限可能。通過結(jié)合多種材料,，可以創(chuàng)造出前所未有的特性,，而增材制造技術(shù)則能輕松地生產(chǎn)具有特殊屬性的形狀，如晶格和螺旋體,，這些形狀的尺寸是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以企及的,。

Dudukovic指出：“通過不同的圖案化方式對兩種材料進(jìn)行組合，可以顯著改變結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。因此,，如果你掌握了相關(guān)的物理原理,，你就擁有一個探索各種機(jī)械響應(yīng)的實驗場�,！�

通常,，多材料增材制造需要復(fù)雜的設(shè)備設(shè)置或?qū)Ｓ玫脑O(shè)備,，并且僅限于可進(jìn)行3D打印的材料,。該團(tuán)隊轉(zhuǎn)而利用他們在2021年開發(fā)的細(xì)胞流體技術(shù)，作為一種潛在的替代方案,。細(xì)胞流體單元是毫米級別的3D打印結(jié)構(gòu),，能夠利用毛細(xì)作用在開放空間中容納并流動液體和氣體,，而不會發(fā)生泄漏。在這一尺度下,，毛細(xì)作用通過表面張力,、粘附力和內(nèi)聚力的綜合作用，使得流體能夠在開放空間中逆重力流動,，類似于水在紙巾上爬升的現(xiàn)象,。

研究人員運(yùn)用細(xì)胞流體學(xué)原理設(shè)計了單元細(xì)胞——晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)建塊。這些單元細(xì)胞是通過計算設(shè)計工具創(chuàng)建的,，能夠限制液體材料并精確控制它的流動方向,。他們首先打印出一個晶格支架以確定形狀，隨后將定向的單元細(xì)胞排列成特定圖案,，確保填充的液體材料僅能按照預(yù)定的方式流動,。這一過程創(chuàng)造了一種開放式3D模具。令人矚目的是,，這種創(chuàng)新的單元細(xì)胞在首次嘗試中即取得了成功,。

Dudukovic強(qiáng)調(diào)：“這項研究不僅極為有益，而且非常罕見,。它證明了我們能夠極其自信地控制這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的流體流動方向,。”

△采用晶格結(jié)構(gòu)打印的樣件

晶格圖案化

細(xì)胞流體圖案化極大地擴(kuò)展了填充流體與周圍大氣之間的接觸表面積,，為涉及氣體與液體交互作用的應(yīng)用帶來了巨大潛力,。這種技術(shù)將成為傳感與檢測、生物反應(yīng)器,、電化學(xué)系統(tǒng),、碳捕獲平臺等領(lǐng)域的潛在顛覆者。

為了探究圖案化液體生產(chǎn)多材料固體的可能性,，該團(tuán)隊實驗了多種單元細(xì)胞排列方式，包括45度旋轉(zhuǎn)或離散口袋等，而不是傳統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu),。他們還嘗試了設(shè)計僅在受壓時吸收液體的細(xì)胞,，這可能為自修復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一條新途徑。

Dudukovic表示：“這表明,，未來我們或許能夠設(shè)計出一種結(jié)構(gòu),，使用聚合物填充并原位固化，從而在晶格承受巨大應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化,�,！�

△這項技術(shù)未有望用于多種領(lǐng)域，尤其是在零重力條件下的航空航天方向

盡管目前展示的格子僅是一個演示樣例,，但這項技術(shù)未來有望用于制造生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所需的混合生物材料,，以及航空航天工業(yè)中復(fù)雜且輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

Gemeda希望通過將這項技術(shù)擴(kuò)展到陶瓷,、金屬和生物材料等其它復(fù)合系統(tǒng),，進(jìn)一步拓展設(shè)計空間。她探索了利用單元細(xì)胞在同一支架中對多種材料進(jìn)行圖案化的可能性,，并期望這能激發(fā)增材制造社區(qū)利用他們的研究成果,，以擴(kuò)展多材料、多尺度的能力,。