水の連結橋：科学者が全液体の「ラボオンチップ」を3Dプリント

出典: ラテンアメリカ経済貿易ネットワーク

米国エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の研究者らは、電池材料の製造から薬剤候補のスクリーニングまで、幅広い用途に合わせてボタンをクリックするだけで繰り返し再構成できる、3Dプリントされた全液体デバイスを使用している。「我々が実証したことは注目に値する。我々の3Dプリント装置は、多段階の複雑な化学反応をオンデマンドで実行するようにプログラムできる」と、研究を率いたバークレー研究所の材料科学部門および分子ファウンドリーの科学者、ブレット・ヘルムズ氏は語った。「さらに驚くべきことに、この多用途のプラットフォームは再構成可能であり、分子を効率的かつ正確に組み合わせて、有機電池材料などの非常に特殊な製品を形成できます。」

ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載されたこの研究は、バークレー研究所が3Dプリンターを使って全液体材料を作成する一連の実験の中で最新のものである。

昨年、ヘルムズ氏と、バークレー研究所の材料科学部門が主導する構造化液体適応インターフェースアセンブリプロジェクトの先駆者であるマサチューセッツ大学アマースト校の客員研究員トーマス・ラッセル氏が共同執筆した研究により、さまざまな液体構造を印刷する新しい技術が開発された。 - 液滴から別の液体の中で回転する液体の糸へ。

「そのデモンストレーションが成功した後、私たちは集まって、液体印刷を使って機能するデバイスを作るにはどうしたらよいかブレーンストーミングをしました」とヘルムズ氏は言う。「そして、あることに気づきました。もし、決められたチャネルに液体を印刷し、その内容物を破壊せずに流すことができれば、新しいタイプの小型化学実験室からバッテリーや電子機器まで、幅広い用途に役立つ流体デバイスを作ることができるのです。」

3Dプリント可能な流体デバイスを作るために、バークレー研究所の材料科学部門の博士研究員であり、主執筆者であるウェンキアン・フェン氏は、特別にパターン化されたガラス基板を設計した。 2 つの液体 (一方はナノスケールの粘土粒子を含み、もう一方はポリマー粒子を含む) を基板上に印刷すると、2 つの液体の界面でそれらが一緒になり、数ミリ秒以内に直径約 1 ミリメートルの非常に細いチャネルまたはチューブを形成します。

チャネルが形成されると、デバイスのさまざまなチャネルに触媒を配置できます。次に、ユーザーはチャネル間にブリッジを 3D プリントして接続し、チャネルを流れる化学物質が特定の順序で触媒に遭遇するようにして、一連の化学反応を引き起こし、特定の化合物を生成します。コンピューターで制御すると、この複雑なプロセスは「触媒の配置、デバイス内での液体ブリッジの構築、分子の生成に必要な一連の反応の実行に関連するタスクを自動的に実行できる」とラッセル氏は述べた。

このマルチタスクデバイスは、特定の触媒のブリッジリンクシーケンスを印刷し、化学合成手順を実行し続ける際に、チャネルを流れる分子を分離し、不要な副産物を自動的に除去する人工循環システムのように動作するようにプログラムすることもできます。

「これらのデバイスの形状と機能は、研究者の想像力によってのみ制限されます」とヘルムズ氏は説明します。「自律合成は化学と材料のコミュニティにおける新興分野であり、全液体フロー化学のための当社の3Dプリントデバイス技術は、この分野を確立する上で重要な役割を果たす可能性があります。」

ラッセル氏はさらに、「バークレー研究所の材料科学と化学の専門知識、世界中の研究者が利用できる世界クラスのユーザー施設、そして研究所に集まる若い才能の組み合わせは他に類を見ないものです。このプログラムを他の場所で開発することはできなかったでしょう」と付け加えた。

研究者らは次に、導電性ナノ粒子を使用して装置の壁を帯電させ、探索できる反応の種類を拡大することを計画している。「私たちの技術を使えば、全液体回路、燃料電池、さらにはバッテリーも作れるはずだと考えています」とヘルムズ氏は言う。「私たちのチームが流体工学とフロー化学を、ユーザーフレンドリーかつユーザーがプログラムできる方法で組み合わせたことは、本当に素晴らしいことです。」

出典: ラテンアメリカ経済貿易ネットワーク

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