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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。

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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

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。”

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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。

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。

声波打印喷嘴处的液滴

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)。

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。

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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,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。

参考:

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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。

编辑:Lisa

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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。**

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。

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。

声波打印用于液态金属的打印

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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

将蜂蜜液滴阵列打印在玻璃片上

“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。

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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。

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

“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。”

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