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声学打印:声波从任何液体中产生精确的液滴

家庭打印的发展可以追溯到 20 世纪 30 年代。如今,液体喷墨和激光打印机能够以低成本提供快速、节能、高质量的彩色输出。

喷墨技术是最流行的液滴形成方法,仅限于粘度至少是水十倍的液体。激光诱导的正向传输和基于阀门的打印进一步限制了喷嘴尺寸、源-基材距离和粘度的吞吐量。当性能随温度和时间变化时,调整每种墨水的这些参数变得具有挑战性。

生物打印所必需的许多液体(生物聚合物、富含糖的凝胶)的粘度超过 100 倍水,有些粘度如蜂蜜(约 25,000 倍水)。这些高粘度阻碍了传统印刷。

哈佛大学的研究人员开发了一种基于声学的方法来克服这些限制。通过在喷嘴尖端产生高度受限的声场,无论流体特性如何,它们都可以按需产生液滴。

它是如何工作的

仅靠重力无法调节液滴大小。水从水龙头里滴下来只需几秒钟,而沥青(比水的粘度大 2000 亿倍)则需要十年才能形成一滴水。哈佛大学团队利用声波来引导液滴形成。声悬浮早已被证明具有抵消重力的能力。这里它被用来辅助它,这个过程被称为声泳印刷。

声学打印:声波从任何液体中产生精确的液滴 图片来源:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/哈佛大学

亚波长声谐振器在喷嘴尖端产生比重力 (1g) 强 100 倍的声场,是太阳引力的四倍。当液滴达到其临界尺寸时,声学力将其从喷嘴中提取出来并将其推到目标位置。重要的是,液滴的大小由波幅决定,与液体的粘度无关。

参考:科学进展 | doi:10.1126/sciadv.aat1659 |哈佛大学

测试和应用

声学打印:声波从任何液体中产生精确的液滴 图片来源:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/哈佛大学

该方法在多种材料上进行了验证——生物聚合物、蜂蜜、光学树脂、干细胞墨水和液态金属。由于声波无法穿透液滴,因此该技术保留了蛋白质和活细胞等脆弱生物分子的完整性。

阅读:科学家使用“生物墨水”3D 打印人造人类角膜

研究人员预计,声泳印刷可以彻底改变化妆品、生物制药和食品的生产,并扩大导电和光学材料的使用。

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