Акустическая печать: звуковые волны создают точные капли из любой жидкости

• Акустофоретная печать использует звуковые волны для генерации капель из любой жидкости.
• Техника не зависит от вязкости или состава жидкости.
• Размер капли обратно пропорционален амплитуде звуковой волны: меньшая амплитуда даёт крупные капли.
• Применения охватывают биофармацевтику, косметику, пищу и передовые материалы.

Эволюция домашней печати восходит к 1930-м. Сегодня струйные и лазерные принтеры предлагают быстрый, энергоэффективный, высококачественный цветной вывод по низкой стоимости.

Струйная технология, самый распространённый метод формирования капель, ограничена жидкостями с вязкостью не менее десятикратной воде. Лазерный перенос и клапанная печать дополнительно ограничивают пропускную способность размером сопла, расстоянием источник-субстрат и вязкостью. Настройка этих параметров для каждого чернила становится сложной, когда свойства варьируются с температурой и временем.

Многие жидкости, существенные для биопечати — биополимеры, сахаристые гели — демонстрируют вязкость превышающую 100x воды, некоторые густы как мёд (~25 000x воды). Эти высокие вязкости мешают обычной печати.

Исследователи Гарварда разработали акустический метод, преодолевающий эти ограничения. Генерируя высоко ограниченное акустическое поле на кончике сопла, они могут производить капли по запросу независимо от свойств жидкости.

Как это работает

Гравитация одна не может регулировать размер капли. Пока вода капает из крана за секунды, пичь — в 200 млрд раз вязче воды — формирует одну каплю за десять лет. Команда Гарварда использовала звуковые волны для управления формированием капель. Акустическая левитация давно демонстрировала способность противодействовать гравитации; здесь она используется для помощи ей, процесс называемый акустофоретной печатью.

Субволновый акустический резонатор доставляет акустическое поле в 100 раз сильнее гравитации (1 g) на кончике сопла — в четыре раза гравитация Солнца. Когда капля достигает критического размера, акустическая сила извлекает её из сопла и проталкивает к цели. Важно, размер капли задаётся амплитудой волны, независимо от вязкости жидкости.

Ссылка: Science Advances | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | Harvard University

Тестирование и применения

Метод валидирован на разнообразных материалах — биополимеры, мёд, оптические смолы, стволовые клетки чернила, жидкие металлы. Поскольку звуковые волны не проникают в капли, техника сохраняет целостность деликатных биомолекул вроде белков и живых клеток.

Читать: Ученые 3D-печатают искусственную человеческую роговику используя «био-чернила»

Исследователи предвидят, что акустофоретная печать может революционизировать производство косметики, биофармацевтики и пищи, и расширить применение проводящих и оптических материалов.