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《Soft Matter》:利用微尺度3D打印和矿物涂层技术助力功能性微流控研究
发布:Iron_MAN10   时间:2020/8/18 15:05:37   阅读:911 
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多孔材料(如岩石)及其与流体的相互作用广泛存在于油气资源开采、地热能提取、二氧化碳封存、甚至行星探测中的地外资源利用(水提取)等应用中,然而,大多数岩石内部孔喉形态不规则,表面物理化学特性如表面润湿性也比较复杂。因此,探索岩石内部液体的流动过程,尤其是微尺度下的流固交互作用,仍然具有挑战性。近年来,高精度3D打印技术的迅速发展使得复现这种复杂的多孔结构变得可能。借助流动可视化手段,3D打印的微流控模型可以用于直接观察流体流动的动态过程。但是,目前打印材料仅限于光固化聚合物及其衍生物,其理化特性包括其矿物化学、晶体结构、表面润湿性等与天然岩石(如碳酸岩)存在显着差异。所有这些特性都对多孔介质中的流体相变和多相流动过程有着重要影响。

近日,哈利法大学的张铁军教授团队基于面投影微立体光刻3D打印技术(PμSL,深圳摩方材料科技有限公司nanoArch S130), 通过表面矿物涂层的方法制备出一种岩石微流控模型。这种新颖的制备方法包括三个主要步骤,如图1所示:(i)使用纯光敏树脂(HDDA)打印具有三维岩石孔隙结构的微模型;(ii)在微模型的内表面植入碳酸钙纳米颗粒;(iii)以植入的纳米颗粒为核,在微模型内部原位生长碳酸盐晶体。该模型可以成功复现天然岩石的三维孔隙结构和表面矿物学特性。该成果以“Empowering Microfluidics by Micro-3D Printing and Solution-based Mineral Coating”为题发表在Soft Matter上,第一作者是哈利法大学李红霞博士。

图1. 岩石微模型的制备过程

在该工作中,张教授的团队利用高精度3D打印技术制备了不同用途的微模型,包括微流控器件和岩石微模型。微流控器件由三个平行通道组成(请参见图2a):每个通道的宽度分别为116±2、174±2和305±2 μm。在图2b中,岩石微模型是根据天然碳酸岩的CT扫描照片打印而成。在扫描电镜下,我们可以看到岩石微模型可以很好的复现真实岩石中狭窄的孔喉结构,并且也可清晰地观测到在微模型表面原位生长的碳酸盐晶体。此外,XRD光谱也证实该微模型表面的矿物成分是碳酸钙晶体,与天然碳酸岩相同。这种碳酸盐涂层厚度大约在2~10微米,仍然使微流控器件保持了一定的透光性,有利于流体的可视化研究。
 

图2. 3D打印的微模型在表面涂层后的形貌 (a,b)扫描电镜下微模型的孔喉结构及表面碳酸盐晶体:(a)在微流控模型内表面以及(b)三维岩石微模型内表面。(c)表面涂层的XRD光谱。


图3. 利用微流控模型的流动可视化研究:案例(a)水-油/水-气在岩石微模型内部的驱替过程;案例(b,c)水在孔喉内部的蒸发过程。

      基于所制备的微模型,该团队通过对水/气和水/油的驱替过程进行直接成像(如图3a), 表征了固体表面润湿性对流体交界面和流动路径的影响等。此外,他们还观测到液体在多孔介质里面的蒸发相变过程(图3b),包括不同大小空隙内蒸发的难易程度、喉部液膜的渐薄和破裂过程等。

      总之,该工作为制备功能性多孔材料开辟了一条新途径。据我们所知,这是第一次结合高分辨率3D打印和基于溶液的内部涂层方法,制备“真实的”岩石微模型。这种方法也具有很强的通用性:通过更改涂层材料和三维空隙结构,此类功能性微模型也可以很好地推广到生物医学、软体机器人、航空航天和其他新兴应用。

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/ ... unauth#!divAbstract

来源: 南极熊3D打印
 
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