Ученые разработали метод 3D-печати водой внутри вязкого силиконового масла. За счет образования на границе раздела двух жидкостей пленки из поверхностно-активных наночастиц напечатанные предложенным способом спиралевидные и разветвленные структуры сохраняли устойчивую форму в течение нескольких часов. Варьируя состав наночастиц, состав жидкости и скорость печати, можно изменять геометрию объектов, в том числе и после печати, пишут ученые в Advanced Materials.

Сегодня трехмерная печать уже стала неотъемлемым методом современных технологий и даже повседневной жизни. Ее используют для создания различных элементов автоматических устройств, при сборке роботов или для научных целей. При этом с помощью нее можно печатать не только небольшие фигурки или отдельные детали различных приборов, но и, например, дома. Обычно используются материалы, которые после печати за счет какого-то внешнего воздействия (облучения, температурного или химического воздействия) затвердевают. Задача печатать устойчивые трехмерные структуры из жидкости (например внутри другой жидкости) значительно сложнее из-за того, что в отличие от твердых тел, жидкость не имеет четкой структуры и не держит форму.

Однако ученые из США и Китая под руководством Томаса Расселла (Thomas P. Russell) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли не посчитали эту задачу невыполнимой и предложили метод трехмерной печати водой или водными растворами внутри очень вязкого силиконового масла. Подход, предложенный авторами исследования, основан на создании вокруг жидкости пленки из поверхностно-активного вещества, которая делает напечатанную структуру устойчивой в течение довольно долгого времени.

J. Forth et al./ Advanced Materials, 2018

Образование такой пленки в предложенной методике происходит за счет того, что используемое силиконовое масло содержит, кроме обычных цепочек полидиметилсилоксана (ПДМС), еще пять процентов молекул ПДМС, к концам которых пришиты аминогруппы. В свою очередь в воде содержатся наночастицы (металлические или оксидные), на поверхности которых находятся карбоксильные группы. При контакте воды с маслом во время печати эти карбоксильные группы на поверхности наночастиц реагируют с аминогруппами ПДМС, образуя устойчивую химическую связь, и наночастицы оказываются таким образом «заякорены» на межфазной границе, формируя при этом устойчивую упругую пленку вокруг водной струи.

Схема образования устойчивой пленки из наночастиц на межфазной границе вода/масло во время 3d-печати. J. Forth et al./ Advanced Materials, 2018

Используя предложенный механизм, авторы работы смогли получить несколько различных жидких структур, спиралеобразной или разветвленной формы длиной в несколько сантиметров. Время, в течение которого полученные спирали сохраняли устойчивую форму, достигало нескольких часов. При этом за счет изменения диаметры иглы шприца, который используется для печати, и скорость потока жидкости, можно варьировать толщину напечатанного водного канала от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров.

Авторы исследования отмечают, что кроме увеличения устойчивости напечатанной структуры, пленка на границе вода/масло может выполнять и другие функции, которые зависят от свойств используемых частиц. Например, из частиц магнетита можно получить магнитную пленку на границе вода-масло, а если использовать золотые наночастицы, то пленка сможет поглощать свет, возбуждая при этом поверхностные плазмоны.

Разрыв и сворачивание напечатанного водного канала при введения в него раствора щелочи. J. Forth et al./ Advanced Materials, 2018

При этом за счет того, что вся система — как внешняя среда, так и напечатанная структура — находится в жидком состоянии, то ее геометрию можно менять уже после печати, например, в ответ на какое-то внешнее воздействие. В качестве одного из таких способов ученые предложили использовать изменение в водном растворе концентрации щелочи, которое приводит к разрушению химической связи между маслом и наночастицами, что приводит к локальному сужению или разрыву канала.

По словам авторов работы, с помощью предложенного ими метода можно создавать материалы для жидкостной электроники, систем молекулярного транспорта, а также создавать микрореакторы нужной формы для проведения многофазных реакций или биологического анализа.

Обычно при 3D-печати вода используется не в качестве чернил а как вспомогательный элемент для дополнительных функций. Например, американские исследователи предложили использовать воду для превращения трехмерной печати в четырехмерную. Дополнительное измерение у этой печати появляется за счет изменения формы напечатанных объектов с течением времени, которого удается добиться при контакте с водой.

Автор: Александр Дубов