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打印机方式可用于一切材料,可实现任意粘度材料打印

2020-01-20 08:02

论文的通讯作者、哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程学教授 Jennifer Lewis 说:“我们发明的这种声波打印技术,利用了声波产生的力,能按照需求打印任意的材料。” Lewis 教授也是哈佛大学威斯生物工程研究所(Wyss Institute forBiologically Inspired Engineering)的核心教员。

[据本站2018年9月6日综合报道] 喷墨打印是利用液滴进行图案化的最常用技术,这种基于液滴的打印方法广泛应用于纸上印刷油墨和生产用于药物递送的微胶囊,主要使用生物微阵列和增材制造技术。然而它仅适用于粘度比水大约10倍的液体,例如,生物聚合物和载有细胞的溶液,其粘度至少是水的100倍。一些含糖的生物聚合物可能像蜂蜜一样粘稠,粘度比水高25,000倍。喷墨或电流体动力打印等常见的方法仅仅适用于低粘度或特定电磁特性的材料。为扩大应用材料,近日,哈佛大学的研究人员通过利用声学力开发了一种新技术,可以按需按需方式打印从蜂蜜到液态金属等各种材料,该研究发表在Science Advances上。将蜂蜜液滴在玻璃基板上进行图案化 由于重力作用,任何液体都会滴落,但仅使用重力,液滴尺寸仍然很大,并且难以控制滴落速率。例如像沥青这样的材料,粘度约为水的2000亿倍,每十年形成一滴。此外传统材料流体的粘度随温度和成分变化而急剧变化,仅凭优化打印参数来控制液滴尺寸十分困难。研究人员的目标是通过开发独立于流体材料特性的印刷系统来消除粘度。为了增强液滴形成,研究人员依靠声波来辅助重力配合这种声学打印技术,使用这种技术可以从声音中分离微小的液滴,就像从树上摘苹果一样。 研究人员研发了一个亚波长声谐振器,它可以产生一个高度受限的声场,从而产生超过打印机喷嘴顶端普通引力100倍的拉力。当液滴达到特定尺寸时,亚波长声谐振器产生可控制力将每个液滴从喷嘴拉出,并将其朝向打印目标喷射。无论流体的粘度如何,声波的振幅越高,液滴尺寸越小。研究人员对从蜂蜜到干细胞、生物聚合物、光学树脂以及液态金属的各种材料制成的油墨进行了测试。结果证明了这项技术可以实现任意材料的液滴打印。更为重要的是,声波不会通过液滴传播,使得该方法不会破坏敏感的生物物质。 这种技术最终可以用于生物制药、化妆品和食品,并具有发展光学和导电材料的可能性。研究人员表示,这种利用声波的新型打印平台,与其他方法不同,它与材料无关,因此具有极大的打印多功能性和更广阔的应用前景。哈佛技术开发办公室申请了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。

哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程学教授詹妮弗·莱维斯说:“我们发明的这种声波打印技术,利用了声波产生的力,能按照需求打印任意的材料。”

由于重力的作用,任何液体都会形成液滴。但是仅在重力作用下,液滴尺寸、速度难以控制。例如沥青的黏度大约是水的2000亿倍,每十年才会滴一滴。为了增强液滴的形成,研究小组选择依靠声波。研究人员使用声波来辅助重力,将这种新技术称为声波打印。

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众所周知,由于重力作用,所有的液滴都会往下滴——不管是沿着水龙头快速滴下的水,还是数年才会落下一滴的沥青。然而,如果打印时仅有重力的作用,液滴的尺寸就会很大,并且液滴的滴落速率很难控制。在著名的沥青滴漏实验中,每十年才会有一滴沥青滴落,科学家据此估测沥青的黏度大约是水的 2000 亿倍。

目前现有的打印技术,都是流动性高的液体,比如墨水和UV光固化树脂。使用加热沸腾发泡或是压电材料变型挤压,这一技术一旦商品化,势必将极大的提高喷墨打印的墨水范围,过去粘稠度高的材料也将实现快速的打印。

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据TechXplore报道,哈佛大学的研究人员开发了一种利用声波能量加速粘稠液体打印方法。打印出的液滴成分和黏度范围之大前所未有。这项技术最终可以用于制造新的生物制药、化妆品和食品,并能拓展光学材料和导电材料的可能性。这项研究发表在了《科学进展》杂志上。

近日,哈佛大学的研究人员发明了一种新型声波打印技术**:利用声波产生的力精确控制用于打印的液滴,将让喷墨式打印不再受材料限制,而且适用的打印材料范围前所未有地广泛。**

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相关阅读 声波打印新技术:可以打印超粘液滴4D打印来袭?什么是4D打印?全球首条液态金属打印机生产线投产用“废纸”打印材料,被批评又被表扬日兴生物拟1500万元设喷墨打印材料基地宁海规划审批全面取消纸质证照收取

为此,研究人员搭建了一个亚波长声波谐振器用来生成一个高度局域化的声场,这个声场所产生的拉力远超过打印喷嘴顶端法向重力(1G)的 100 倍,甚至达到太阳表面引力的 4 倍之多!

为了验证该技术的性能,研究人员测试了各种各样的材料,从高黏度的蜂蜜到生物工程常用的干细胞生物墨水、生物聚合物等,此外还有光学树脂甚至是液态金属等。值得注意的是,声波并不会通过液滴而传播,因此即使是易损的生物载体,如活细胞或蛋白质大分子等,这种方法也是安全有效的。

通过控制目标位置,液滴可以在任何地方积聚并形成图案。研究人员建造了一个亚波长声波谐振器,它可以产生一个高度受限的声场,从而产生超过打印机喷嘴顶端普通引力100倍的拉力。当液滴达到特定尺寸时,这种可控制的力会将每个液滴拉出,并射向印刷目标。声波的振幅越高,液滴的大小就越小,与液体的黏度无关。研究人员利用该技术开发了一种使用声波的新印刷平台,未来可能有广阔的应用前景。

“我们的目标是开发一套不受液体材料特性限制的打印系统,尤其是要不受液体粘度影响”,论文的第一作者 Daniele Foresti 说。Daniele Foresti 是科学学会 Branco Weiss 会员(Society in Science - BrancoWeiss Fellow),也是哈佛大学工程与应用科学学院和威斯生物工程研究所材料科学与机械工程系的助理研究员。

声波打印喷嘴处的液滴

图 | 在声波打印中,喷射出的液滴能以任意的排布沉积在基底上。本图是将蜂蜜液滴阵列打印在玻璃片上。来源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

近日,哈佛大学的研究人员发明了一种新型声波打印技术:利用声波产生的力精确控制用于打印的液滴,让喷墨式打印不再受材料限制,而且适用的打印材料范围前所未有的广泛。

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声波打印用于液态金属的打印

图 | 在声波打印中,声波产生可控的力,当喷嘴处液滴达到某个尺寸时,能将液滴拽离喷嘴并射向基座,就像从树上摘下一个个苹果。来源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

研究者使用了空气超声波,这一技术基本不受材料影响,所以即使是液态金属也能很容易打印出来。

喷墨打印(Inkjet printing)**是一种非常常见的打印技术,通过将墨滴喷射到纸张、塑料或其他基座上来重建数字图像。打印机就是基于这一技术。**

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Foresti 称:“这个技术的关键是产生一个高强的声场,能从喷嘴处拽下一个个微小的液滴,就像是从树上摘苹果一样。

为了增强打印时形成液滴的能力,研究人员将目光转向了声波。声波是一种压力波,研究者通常利用这种压力波来对抗重力作用,就像是声悬浮中的原理。现在,研究者反过来利用这种声波压力来辅助重力作用,从而发明了这种新型打印技术:声波打印。

图 | 声波打印用于液态金属的打印。来源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

将蜂蜜液滴阵列打印在玻璃片上

“我们的技术应该会对制药业产生立竿见影的影响,”Lewis 说,“不过,我们相信这也会成为其他多个行业的重要平台。”

这项技术在新型生物制药、化妆品和食品制造行业有很大的应用潜力,也将给光学材料和导电材料领域的发展带来新的可能性。

另一方面,这些液体的粘度也会随着温度和成分的变化而发生剧烈的变化,因此想要优化打印参数以控制液滴的尺寸就变得更加困难。

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当液滴达到特定的尺寸时,这种可控的声压能将液滴从喷嘴中拉出,并将其射向打印基底。在这个过程中,声波的振幅越高,液滴的尺寸就越小,而与流体的粘度无关。

图 | 蜂蜜是一种典型的粘稠液体,比水的粘稠度要高 2.5 万倍。声波打印适用于形成任意液体的液滴,能从充满蜂蜜的墨盒中产生极其微小的单个蜂蜜液滴。来源:Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

原标题:用声波打印:科学家发明新型打印术,打印机方式可用于一切材料

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众所周知,由于重力作用,所有的液滴都会往下滴——不管是沿着水龙头快速滴下的水,还是数年才会落下一滴的沥青。然而,如果打印时仅有重力的作用,液滴的尺寸就会很大,并且液滴的滴落速率很难控制。在著名的沥青滴漏实验中,每十年才会有一滴沥青滴落,科学家据此估测沥青的粘度大约是水的 2000 亿倍。

这项研究的其他共同作者是 Katharina Kroll、Robert Amissah、Francesco Sillani、Kimberly Homan 和 Dimos Poulikakos。哈佛大学技术发展办公室(Office of Technology Development)以申报该项目有关的知识产权,并且正在商业化该技术。

从自然界乃至工业界,小小的液滴都有很多应用,比如油墨打印以及药物递送系统中用到的微胶囊。

参考:

该研究由科学学会 Branco Weiss 资金以及美国国家科学基金会通过哈佛大学材料科学与工程研究中心(MRSEC)资助。

“这是合作研究广度和深度相结合的一个精妙而有影响力的例子,”美国国家科学基金会(NSF)材料研究科学与工程中心(MRSEC)项目主任 Dan Finotello 说,“作者开发了一种新型的声学打印平台,与其他方法对比最大的优势是其与材料性质无关,因此具有很好的打印通用性。(它的)应用空间是无限的。”

为了增强打印时形成液滴的能力,研究人员将目光转向了声波。声波是一种压力波,研究者通常利用这种压力波来对抗重力作用,就像是声悬浮(acoustic levitation)中的原理。现在,研究者反过来利用这种声波压力来辅助重力作用,从而发明了这种新型打印技术:声波打印(acoustophoretic printing)。

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这一技术的特点是只适用于那些粘度仅比水的粘度高约 10 倍的液体,但是实际上很多研究人员感兴趣的液体在粘度方面恰恰远比这要高。比如,在生物医药和生物打印中至关重要的聚合物以及细胞混合液等生物墨水,它们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样粘稠,粘度高达水的 2.5 万倍之多!

图 | 声悬浮仪的工作原理。注:声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应,其基本原理是利用声柱波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量,同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处。来源:百度百科

研究者使用了空气超声波(airborne ultrasounds),这一技术基本不受材料影响,所以即使是液态金属也能很容易的打印出来。

责任编辑:

这项研究成果于 8 月 31 日发表在著名国际期刊《科学进展》(Science Advances)上。

这项技术在新型生物制药、化妆品和食品制造行业有很大的应用潜力,也将给光学材料和导电材料领域的发展也带来了新的可能性。

为了验证该技术的性能,研究人员测试了各种各样的材料,从高粘度的蜂蜜到生物工程常用的干细胞生物墨水、生物聚合物等,此外还有光学树脂、甚至是液态金属等。值得注意的是,声波并不会通过液滴而传播,因此即使是易损的生物载体,如活细胞或蛋白质大分子等,这种方法也是安全有效的。

编辑:Lisa