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受植物吸收和分配水和營養物的方式的啟發，來自美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室（LLNL）的研究人員在一項新的研究中開發出一種突破性的方法：利用三維打印的晶格設計和毛細作用現象來輸送液體和氣體。相關研究結果發表在2021年7月1日的Nature期刊上，論文標題為“Cellular fluidics"。
在這項研究中，這些作者描述了能夠容納和流動液體的三維打印微架構結構，以在液體和氣體之間創造廣泛和可控的接觸。這種有序、多孔和開孔的結構促進了單元格中表面張力驅動的毛細作用（由于粘附力和內聚力，液體在小孔中移動，類似于一棵樹從土壤中汲取水分或一張紙巾吸收泄漏的液體），并使液體和氣體在整個結構中傳輸。
這些作者說，這項突破性技術可能對涉及多相（氣/液/固）過程的眾多領域產生革命性和廣泛的影響，包括用于將二氧化碳或甲烷轉化為能源的電化學或生物反應器、先進的微流體、太陽能脫鹽、空氣過濾、熱傳導、蒸騰冷卻和低或零重力環境中的流體輸送。
論文第一作者、LLNL在職科學家Nikola Dudukovic說，“通過使用這種方法，我們可以設計和打印有序的多孔介質，對液體和氣體在這些結構中的行為有許多程度的控制。多孔介質---如海綿、紙或織物---通常傾向于具有無序的微觀結構，因此難以在分析和計算上加以描述。細胞流體學（cellular fluidics）在某種意義上允許你創建一種有序的‘海綿’，在那里，液體和氣體正好在你希望它們去的地方流動。"
這些作者利用實驗室多年來對三維打印、分層晶格設計的研究，以及LLNL開發的大面積投影微立體光刻（Large Area Projection Micro-stereo Lithography, LAPuSL）技術---一種基于光的打印機，可以在大范圍內產生極其微小的特征---建立了各種充滿流體的結構，以研究不同類型的多相傳輸和反應現象。
他們展示的過程包括吸收（將氣態的二氧化碳捕捉到液體中）、蒸發（將液體輸送到氣相中）和蒸騰作用，在這里，科學家們展示了這些結構能夠通過將液體蒸發到大氣中來冷卻自己，同時從液體儲液器中補充自己，就像植物在不斷從土壤中補充水分的同時釋放水蒸氣。
論文通訊作者、LLNL研究工程師Eric Duoss解釋說，“我們當然受到了大自然的啟發，但我們認識到，人類在復制大自然的所有精致的復雜性方面還遠遠不夠。然而，這是前進道路上的一步。我們開始看到，我們可以通過對這些結構的一些局部微觀屬性進行編程，決定性地控制液體如何流入多孔結構---從這個角度看，這算是一種頓悟。我們發現我們不僅可以控制液體的排列和傳播，我們還可以控制氣體的排列和傳播。當你對兩者都有控制時，你可以做一些相當不可思議的事情。"
這些作者說，設計精確的氣/液界面和優選傳輸途徑，同時表現出對傳輸速率的控制的能力，將使科學家們能夠在實驗和計算上研究毛細管現象、其他流動和傳輸現象，并有可能改變涉及多相過程的學科（包括傳統的微流體），這些學科主要用于護理點健康診斷、片上器官裝置和其他應用。
論文共同作者、LLNL研究員Erika Fong說，“這是一種非常不同的微流體的思維方式，在那里我們確實有很多空氣/液體界面。例如，許多微流控設備被設計用來做生物檢測，但不容易被生物學家采用，這是因為他們通常使用開孔板，與封閉的微流控裝置不同，可以非常容易地手動接觸開孔板。我們認為這是一種可以幫助彌合傳統微流控技術和開放系統之間差距的方式。"
這些作者說，細胞流體學概念可以改進目前的微流控技術，因為它允許在三維復雜的幾何形狀中控制流體運輸，而目前的微流控系統通常是平面的和封閉的，限制了它們再現多相過程的能力。
論文共同作者、LLNL研究工程師Joshua R. DeOtte說，“在植物中，水和營養物通過中央脈管被輸送到葉子上，促進氣體轉移以進行新陳代謝。在這項研究中，我們正在研究將這兩種功能融合到一個系統---液體和氣體的運輸---中，并將其與三維空間而不是平面結構聯系在一起。"
為了測試與傳統微流控技術的整合，論文共同作者、LLNL工程師Hawi Gemeda領導了主動流動實驗：使用注射器泵控制液體流入一種三維打印的裝置，并觀察流動行為。這些作者發現，可以通過控制單元格的類型、大小和密度來對優選路徑進行編程，并發現他們可以通過精確的結構設計來改善主動流動條件下的液體保留。這種能力也使得他們能夠在三維打印的聚合物晶格中的選擇性區域上鍍上導電和催化活性金屬涂層。
這些作者說，除了推動微流體技術的發展，細胞流體技術還顯示出在外太空的應用前景，在那里，它將允許在沒有重力的情況下進行流體運輸。它還可應用于氣溶膠樣品收集和氣體過濾，這是因為它能夠精確控制液相和氣相之間的接觸。它還可以通過納入晶格設計來改善傳熱，這種設計允許結構在較長時間內保持冷卻。
雖然這些作者對該技術有一個很長的計劃清單，但他們的直接目標是將細胞流體學應用于將二氧化碳轉化為有用產品的電化學反應器。該過程涉及添加電子、質子和催化劑，使二氧化碳發生復雜的反應。他們認為，細胞流體學可以對氣態二氧化碳、液態電解質和金屬催化劑之間的界面提供更大的控制，這些反應便在這些界面發生。
這些作者還在探索在生物反應器中使用細胞流體學，細菌在那里攝入氣態甲烷并排泄有機副產品。細胞流體學還可能用于在生物反應器中構建極薄的壁，從而提高反應性，并使科學家們能夠將更多的細菌裝入生物反應器以提高性能。未來的研究計劃聚焦于設計優化、流體/機械協同設計、生物威脅或高能材料的檢測，甚至是工程化生物材料。
Duoss說，“這些復雜環境的問題是，我們還沒有一個好的方法來創建模型系統，以促進對基礎科學的理解。例如，我們還不能制造人工肺，在那里你有氣體、液體和固體共同存在的復雜性。但現在我們有了一個平臺，可以進行那些對建立理解非常重要的基礎研究。有了這個新發現，我們將有一個難以置信的機會來應用它。"
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來源：生物谷
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