液體也能3D印?表面活性劑的新玩法

  • 文/淨妍

用於 3D 列印的材料不外乎是易雕塑的塑膠、樹脂、石膏或是金屬等等,但日前加州大學柏克萊分校的實驗卻打破大多數人的想像:液體也可以用來 3D 列印!他們到底是如何控制無固定形狀液體,讓它乖乖地變成自己想要的樣子呢?

微米水螺旋 3D 列印的突破

研究員們的做法是:將一種液體列印進另一種液體中。

他們透過 3D 列印機的細長針頭將水注入三維空間內,在裝滿矽油 (Silicone Oil) 的容器中做出懸浮的液體管狀結構。聽起來是不是有點複雜?其實,整個水注入油的過程就像用奶油裝飾蛋糕一樣,研究者能隨心在矽油中用水畫出美麗的螺旋造型。這些列印出的水線寬 10 微米(人類紅血球寬度的兩倍),厚度 1 毫米(比頭髮細),並可達數公尺長。

實驗室的其中一位科學家,Tom Russell 解釋到,3D 列印機在微米等級水線的製作中起了關鍵的作用。他們改裝原廠的 Qidi X-one 3D 列印機,將原本的列印頭替換為注射器和針頭,並由一位研究員編寫列印程序軟體,最後成功將水注入裝滿矽油的容器中。

實驗中 3D 列印機運作的畫面,矽油裡已經注入部分螺旋狀的水線了。圖/截圖自官方實驗影片

如何防止水螺旋瓦解?「超級肥皂」登場

雖然上段用奶油裝飾蛋糕來形容,但科學實驗從來不只一塊蛋糕那麼簡單。

正常來說,水沒辦法在另一種不同密度的物體裡保持某種形狀,但研究者卻說這些水柱拉花可以保持數、個、月不散,到底是怎麼回事?答案是,這些列印出的液體並不單純,研究者在裡面加了料!

為了防止美麗的水線瓦解,研究者在液體中中添加了表面活性劑 (Surfactant) 以形成穩定的結構。

實驗中使用的表面活性劑是由聚合物配體 [註] (Polymer Ligand) 和奈米等級的金粒所構成。金粒屬親水端,聚合物配體則屬親油端;將水注入矽油後,金粒會溶於水中,矽油則會被聚合物配體附著,而當金粒與聚合物配體互相吸引,就會破壞水的表面張力,讓水柱得以保持穩定的狀態。

這種運作方式與肥皂去汙的原理相同(肥皂也是一種表面活性劑),所以實驗中使用的表面活性劑被實驗者稱為「超級肥皂」(Supersoap)。

超級肥皂作用示意圖。圖/Reconfigurable Printed Liquids 圖片重製/淨妍

全新材料研發 「超級肥皂」的無限可能性

超級肥皂在會在液體間形成 2D 的表面電漿量子層,它是金粒的電磁場和自由電子之間的相互作用的結果,具有相當特殊的磁場,可以限制分子的流動,未來若是能夠充分研究並加以利用,或許可以找出分離分子及建構化合物的新方法。

除了限制分子流動,超級肥皂還有更多可能性,它可以應用在仿生、可重構等性質的材料之中,而此次的實驗正是此種表面活性劑的一種新應用方式,幫助液體成為更複雜的 3D 物體。如果將這種具彈性與延展性的液體應用在其他裝置上,說不定會帶來新的一波的科學突破!

  • [註] 配體 (Ligand):可和中心原子(金屬或類金屬)產生鍵結的原子、分子和離子。

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