受植物吸收和分配水和營養(yǎng)物的方式的啟發(fā)，來自美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室（LLNL）的研究人員在一項新的研究中開發(fā)出一種突破性的方法：利用三維打印的晶格設計和毛細作用現(xiàn)象來輸送液體和氣體。相關研究結果發(fā)表在2021年7月1日的Nature期刊上，論文標題為“Cellular fluidics"。

在這項研究中，這些作者描述了能夠容納和流動液體的三維打印微架構結構，以在液體和氣體之間創(chuàng)造廣泛和可控的接觸。這種有序、多孔和開孔的結構促進了單元格中表面張力驅動的毛細作用（由于粘附力和內(nèi)聚力，液體在小孔中移動，類似于一棵樹從土壤中汲取水分或一張紙巾吸收泄漏的液體），并使液體和氣體在整個結構中傳輸。

這些作者說，這項突破性技術可能對涉及多相（氣/液/固）過程的眾多領域產(chǎn)生革命性和廣泛的影響，包括用于將二氧化碳或甲烷轉化為能源的電化學或生物反應器、先進的微流體、太陽能脫鹽、空氣過濾、熱傳導、蒸騰冷卻和低或零重力環(huán)境中的流體輸送。

論文第一作者、LLNL在職科學家Nikola Dudukovic說，“通過使用這種方法，我們可以設計和打印有序的多孔介質，對液體和氣體在這些結構中的行為有許多程度的控制。多孔介質---如海綿、紙或織物---通常傾向于具有無序的微觀結構，因此難以在分析和計算上加以描述。細胞流體學（cellular fluidics）在某種意義上允許你創(chuàng)建一種有序的‘海綿’，在那里，液體和氣體正好在你希望它們?nèi)サ牡胤搅鲃印?

這些作者利用實驗室多年來對三維打印、分層晶格設計的研究，以及LLNL開發(fā)的大面積投影微立體光刻（Large Area Projection Micro-stereo Lithography, LAPuSL）技術---一種基于光的打印機，可以在大范圍內(nèi)產(chǎn)生極其微小的特征---建立了各種充滿流體的結構，以研究不同類型的多相傳輸和反應現(xiàn)象。

他們展示的過程包括吸收（將氣態(tài)的二氧化碳捕捉到液體中）、蒸發(fā)（將液體輸送到氣相中）和蒸騰作用，在這里，科學家們展示了這些結構能夠通過將液體蒸發(fā)到大氣中來冷卻自己，同時從液體儲液器中補充自己，就像植物在不斷從土壤中補充水分的同時釋放水蒸氣。

論文通訊作者、LLNL研究工程師Eric Duoss解釋說，“我們當然受到了大自然的啟發(fā)，但我們認識到，人類在復制大自然的所有精致的復雜性方面還遠遠不夠。然而，這是前進道路上的一步。我們開始看到，我們可以通過對這些結構的一些局部微觀屬性進行編程，決定性地控制液體如何流入多孔結構---從這個角度看，這算是一種頓悟。我們發(fā)現(xiàn)我們不僅可以控制液體的排列和傳播，我們還可以控制氣體的排列和傳播。當你對兩者都有控制時，你可以做一些相當不可思議的事情。"

這些作者說，設計精確的氣/液界面和優(yōu)選傳輸途徑，同時表現(xiàn)出對傳輸速率的控制的能力，將使科學家們能夠在實驗和計算上研究毛細管現(xiàn)象、其他流動和傳輸現(xiàn)象，并有可能改變涉及多相過程的學科（包括傳統(tǒng)的微流體），這些學科主要用于護理點健康診斷、片上器官裝置和其他應用。

論文共同作者、LLNL研究員Erika Fong說，“這是一種非常不同的微流體的思維方式，在那里我們確實有很多空氣/液體界面。例如，許多微流控設備被設計用來做生物檢測，但不容易被生物學家采用，這是因為他們通常使用開孔板，與封閉的微流控裝置不同，可以非常容易地手動接觸開孔板。我們認為這是一種可以幫助彌合傳統(tǒng)微流控技術和開放系統(tǒng)之間差距的方式。"

這些作者說，細胞流體學概念可以改進目前的微流控技術，因為它允許在三維復雜的幾何形狀中控制流體運輸，而目前的微流控系統(tǒng)通常是平面的和封閉的，限制了它們再現(xiàn)多相過程的能力。