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受植物吸收和分配水和營(yíng)養(yǎng)物的方式的啟發(fā)，來(lái)自美國(guó)勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究人員在一項(xiàng)新的研究中開(kāi)發(fā)出一種突破性的方法：利用三維打印的晶格設(shè)計(jì)和毛細(xì)作用現(xiàn)象來(lái)輸送液體和氣體。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2021年7月1日的Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Cellular fluidics"。
在這項(xiàng)研究中，這些作者描述了能夠容納和流動(dòng)液體的三維打印微架構(gòu)結(jié)構(gòu)，以在液體和氣體之間創(chuàng)造廣泛和可控的接觸。這種有序、多孔和開(kāi)孔的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了單元格中表面張力驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)作用（由于粘附力和內(nèi)聚力，液體在小孔中移動(dòng)，類(lèi)似于一棵樹(shù)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(gè)結(jié)構(gòu)中傳輸。
這些作者說(shuō)，這項(xiàng)突破性技術(shù)可能對(duì)涉及多相（氣/液/固）過(guò)程的眾多領(lǐng)域產(chǎn)生革命性和廣泛的影響，包括用于將二氧化碳或甲烷轉(zhuǎn)化為能源的電化學(xué)或生物反應(yīng)器、先進(jìn)的微流體、太陽(yáng)能脫鹽、空氣過(guò)濾、熱傳導(dǎo)、蒸騰冷卻和低或零重力環(huán)境中的流體輸送。
論文第一作者、LLNL在職科學(xué)家Nikola Dudukovic說(shuō)，“通過(guò)使用這種方法，我們可以設(shè)計(jì)和打印有序的多孔介質(zhì)，對(duì)液體和氣體在這些結(jié)構(gòu)中的行為有許多程度的控制。多孔介質(zhì)---如海綿、紙或織物---通常傾向于具有無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)，因此難以在分析和計(jì)算上加以描述。細(xì)胞流體學(xué)（cellular fluidics）在某種意義上允許你創(chuàng)建一種有序的‘海綿’，在那里，液體和氣體正好在你希望它們?nèi)サ牡胤搅鲃?dòng)。"
這些作者利用實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)對(duì)三維打印、分層晶格設(shè)計(jì)的研究，以及LLNL開(kāi)發(fā)的大面積投影微立體光刻（Large Area Projection Micro-stereo Lithography, LAPuSL）技術(shù)---一種基于光的打印機(jī)，可以在大范圍內(nèi)產(chǎn)生極其微小的特征---建立了各種充滿(mǎn)流體的結(jié)構(gòu)，以研究不同類(lèi)型的多相傳輸和反應(yīng)現(xiàn)象。
他們展示的過(guò)程包括吸收（將氣態(tài)的二氧化碳捕捉到液體中）、蒸發(fā)（將液體輸送到氣相中）和蒸騰作用，在這里，科學(xué)家們展示了這些結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)將液體蒸發(fā)到大氣中來(lái)冷卻自己，同時(shí)從液體儲(chǔ)液器中補(bǔ)充自己，就像植物在不斷從土壤中補(bǔ)充水分的同時(shí)釋放水蒸氣。
論文通訊作者、LLNL研究工程師Eric Duoss解釋說(shuō)，“我們當(dāng)然受到了大自然的啟發(fā)，但我們認(rèn)識(shí)到，人類(lèi)在復(fù)制大自然的所有精致的復(fù)雜性方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。然而，這是前進(jìn)道路上的一步。我們開(kāi)始看到，我們可以通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)的一些局部微觀屬性進(jìn)行編程，決定性地控制液體如何流入多孔結(jié)構(gòu)---從這個(gè)角度看，這算是一種頓悟。我們發(fā)現(xiàn)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(dāng)你對(duì)兩者都有控制時(shí)，你可以做一些相當(dāng)不可思議的事情。"
這些作者說(shuō)，設(shè)計(jì)精確的氣/液界面和優(yōu)選傳輸途徑，同時(shí)表現(xiàn)出對(duì)傳輸速率的控制的能力，將使科學(xué)家們能夠在實(shí)驗(yàn)和計(jì)算上研究毛細(xì)管現(xiàn)象、其他流動(dòng)和傳輸現(xiàn)象，并有可能改變涉及多相過(guò)程的學(xué)科（包括傳統(tǒng)的微流體），這些學(xué)科主要用于護(hù)理點(diǎn)健康診斷、片上器官裝置和其他應(yīng)用。
論文共同作者、LLNL研究員Erika Fong說(shuō)，“這是一種非常不同的微流體的思維方式，在那里我們確實(shí)有很多空氣/液體界面。例如，許多微流控設(shè)備被設(shè)計(jì)用來(lái)做生物檢測(cè)，但不容易被生物學(xué)家采用，這是因?yàn)樗麄兺ǔＪ褂瞄_(kāi)孔板，與封閉的微流控裝置不同，可以非常容易地手動(dòng)接觸開(kāi)孔板。我們認(rèn)為這是一種可以幫助彌合傳統(tǒng)微流控技術(shù)和開(kāi)放系統(tǒng)之間差距的方式。"
這些作者說(shuō)，細(xì)胞流體學(xué)概念可以改進(jìn)目前的微流控技術(shù)，因?yàn)樗试S在三維復(fù)雜的幾何形狀中控制流體運(yùn)輸，而目前的微流控系統(tǒng)通常是平面的和封閉的，限制了它們?cè)佻F(xiàn)多相過(guò)程的能力。
論文共同作者、LLNL研究工程師Joshua R. DeOtte說(shuō)，“在植物中，水和營(yíng)養(yǎng)物通過(guò)中央脈管被輸送到葉子上，促進(jìn)氣體轉(zhuǎn)移以進(jìn)行新陳代謝。在這項(xiàng)研究中，我們正在研究將這兩種功能融合到一個(gè)系統(tǒng)---液體和氣體的運(yùn)輸---中，并將其與三維空間而不是平面結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起。"
為了測(cè)試與傳統(tǒng)微流控技術(shù)的整合，論文共同作者、LLNL工程師Hawi Gemeda領(lǐng)導(dǎo)了主動(dòng)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)：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(dòng)行為。這些作者發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)控制單元格的類(lèi)型、大小和密度來(lái)對(duì)優(yōu)選路徑進(jìn)行編程，并發(fā)現(xiàn)他們可以通過(guò)精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改善主動(dòng)流動(dòng)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(qū)域上鍍上導(dǎo)電和催化活性金屬涂層。
這些作者說(shuō)，除了推動(dòng)微流體技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞流體技術(shù)還顯示出在外太空的應(yīng)用前景，在那里，它將允許在沒(méi)有重力的情況下進(jìn)行流體運(yùn)輸。它還可應(yīng)用于氣溶膠樣品收集和氣體過(guò)濾，這是因?yàn)樗軌蚓_控制液相和氣相之間的接觸。它還可以通過(guò)納入晶格設(shè)計(jì)來(lái)改善傳熱，這種設(shè)計(jì)允許結(jié)構(gòu)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持冷卻。
雖然這些作者對(duì)該技術(shù)有一個(gè)很長(zhǎng)的計(jì)劃清單，但他們的直接目標(biāo)是將細(xì)胞流體學(xué)應(yīng)用于將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品的電化學(xué)反應(yīng)器。該過(guò)程涉及添加電子、質(zhì)子和催化劑，使二氧化碳發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)。他們認(rèn)為，細(xì)胞流體學(xué)可以對(duì)氣態(tài)二氧化碳、液態(tài)電解質(zhì)和金屬催化劑之間的界面提供更大的控制，這些反應(yīng)便在這些界面發(fā)生。
這些作者還在探索在生物反應(yīng)器中使用細(xì)胞流體學(xué)，細(xì)菌在那里攝入氣態(tài)甲烷并排泄有機(jī)副產(chǎn)品。細(xì)胞流體學(xué)還可能用于在生物反應(yīng)器中構(gòu)建極薄的壁，從而提高反應(yīng)性，并使科學(xué)家們能夠?qū)⒏嗟募?xì)菌裝入生物反應(yīng)器以提高性能。未來(lái)的研究計(jì)劃聚焦于設(shè)計(jì)優(yōu)化、流體/機(jī)械協(xié)同設(shè)計(jì)、生物威脅或高能材料的檢測(cè)，甚至是工程化生物材料。
Duoss說(shuō)，“這些復(fù)雜環(huán)境的問(wèn)題是，我們還沒(méi)有一個(gè)好的方法來(lái)創(chuàng)建模型系統(tǒng)，以促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)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(fù)雜性。但現(xiàn)在我們有了一個(gè)平臺(tái)，可以進(jìn)行那些對(duì)建立理解非常重要的基礎(chǔ)研究。有了這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，我們將有一個(gè)難以置信的機(jī)會(huì)來(lái)應(yīng)用它。"
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