精密3d打印科研应用成果 | 调控异形液滴形貌实现高质量晶体制备 -凯发k8555

 

 

高质量晶体的制备对精细化工、生物工程和制药工程等领域至关重要，而晶体的质量取决于晶体的形貌、纯度和颗粒特性。微尺度液滴构建简单、可复制性强、易于在线观察，且具有独特的柔性气液界面，因此在精确调控晶体特性、揭示结晶机理方面展现出巨大潜力，逐渐成为晶体工程的前沿热点。在微尺度液滴结晶过程中，不均匀的界面蒸发既引起了液滴内部的溶液补偿，也诱导了温度与浓度梯度的出现，从而在液滴内形成微环流，主导着溶质分子的迁移与聚集。液滴形状的调控意味着不同气液界面的构建，从根本上影响着液滴的蒸发过程，是调节液滴内部环流形式的重要手段。

 

近日，大连理工大学高效分离过程与耦合强化团队利用摩方精密3d打印机(nano arch s140 pro，10 μm)设计制备了具有微米级结构的半柔性结晶器。以该结晶器为核心构建一系列异形液滴（hd），从而耦合hd气液界面与内部环流方向与强度（ra/ma），诱导溶质分子的定向输送，实现高质量晶体的制备。相关结果以“shaping droplet by semiflexible micro crystallizer for high quality crystal harvest”为题发表在《journal of colloid and interface science》期刊上。

 

该研究中，如图1d-1f所示，利用3d打印机制备了表面平整、中性的半柔性结晶器（其结晶平台半径为600 μm）。在液滴体积不变的情况下，通过调节半柔性结晶器的压缩或拉伸，控制液滴的高度，构建出一系列不同纵横比的hd（图1a和1c）；且在液滴的结晶过程中，也可实现对hd高度的实时调控（图1b）。如图2b和2d所示，对于纵横比为0.76的hd-0.76，在结晶过程中，凸气液界面、垂直气液界面、凹气液界面相继出现，它们一方面诱导了液滴内部的环流方向，一方面通过改变蒸发强度调节着液滴内部的环流强度（ra/ma），从而在蒸发稳定后（stage 4）形成一种中心汇聚型环流。而在hd-0.56和hd-1.02中，由于其气液界面与环流方向和强度的不匹配，最终在蒸发稳定后（stage 4）形成的是边界发散型环流（图2a，2c和2d）。随后，以40%饱和度的nacl溶液结晶为例，在hd-0.76中，中心汇聚型环流驱动溶质分子向液滴中心输送，最终在结晶平台的中心获得立方单晶。而在hd-0.56和hd-1.02中，边界发散型环流将溶质输送向液滴接触线区域，从而形成咖啡环状晶体和随机堆叠状晶体。

 

图1. （a）半柔性微结晶器构建hd示意图。（b）实时调控液滴形状示意图。（c）hd纵横比的定义。（d）半柔性结晶器表面的zeta电位表征。（e）半柔性结晶器表面的sem和afm表征。（f）半柔性结晶器表面的xps表征。

 

图2. comsol模拟hd-0.56（a），hd-0.76（b），hd-1.02（c）结晶过程中的环流矢量。（d）hd-0.56，hd-0.76，hd-1.02结晶过程中瑞利流强度与马兰戈尼流强度之比（ra/ma）。

 

图3. hd-0.56（a），hd-0.76（b），hd-1.02（c）结晶过程的截面图。hd-0.56（d），hd-0.76（e），hd-1.02（f）对应晶体的sem形貌。

 

该研究受到国家重点研发计划（2019yfe0119200；2021yfc2901300），国家自然科学基金（21978037；21978033）等项目的支持。

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.08.151

 

摩方精密作为微纳3d打印的先行者和领导者，拥有全球领先的超高精度打印系统，其面投影微立体光刻（pμsl）技术可应用于精密医疗器械、精密电子器件及众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，摩方将持续提供简易高效的凯发k8官网下载的技术支持方案。