Akustischer Druck:Schallwellen erzeugen aus jeder Flüssigkeit präzise Tröpfchen

• Akustophoretischer Druck nutzt Schallwellen, um aus jeder Flüssigkeit Tröpfchen zu erzeugen.
• Die Technik wird von der Viskosität oder Zusammensetzung der Flüssigkeit nicht beeinflusst.
• Die Tröpfchengröße ist umgekehrt proportional zur Schallwellenamplitude:Eine geringere Amplitude führt zu größeren Tröpfchen.
• Anwendungen umfassen Biopharmazeutika, Kosmetika, Lebensmittel und fortschrittliche Materialien.

Die Entwicklung des Heimdrucks reicht bis in die 1930er Jahre zurück. Heutzutage bieten Flüssigtintenstrahl- und Laserdrucker eine schnelle, energieeffiziente und hochwertige Farbausgabe zu geringen Kosten.

Die Inkjet-Technologie, die am weitesten verbreitete Methode zur Tröpfchenbildung, ist auf Flüssigkeiten beschränkt, deren Viskosität mindestens zehnmal so hoch ist wie die von Wasser. Laserinduzierter Vorwärtstransfer und ventilbasiertes Drucken schränken den Durchsatz zusätzlich durch Düsengröße, Abstand zwischen Quelle und Substrat und Viskosität ein. Die Anpassung dieser Parameter für jede Tinte wird schwierig, wenn sich die Eigenschaften je nach Temperatur und Zeit ändern.

Viele Flüssigkeiten, die für das Bioprinting unerlässlich sind – Biopolymere, zuckerreiche Gele – weisen eine Viskosität von mehr als dem 100-fachen von Wasser auf, wobei einige so dick wie Honig sind (≈25.000-fach von Wasser). Diese hohen Viskositäten behindern den konventionellen Druck.

Harvard-Forscher haben eine akustikbasierte Methode entwickelt, die diese Einschränkungen überwindet. Durch die Erzeugung eines stark begrenzten akustischen Feldes an der Düsenspitze können sie unabhängig von den Flüssigkeitseigenschaften bei Bedarf Tröpfchen erzeugen.

Wie es funktioniert

Die Schwerkraft allein kann die Tröpfchengröße nicht regulieren. Während Wasser in Sekundenschnelle aus einem Wasserhahn tropft, bildet Pech – 200 Milliarden Mal viskoser als Wasser – innerhalb von zehn Jahren einen einzigen Tropfen. Das Harvard-Team nutzte Schallwellen, um die Tröpfchenbildung zu steuern. Akustische Levitation hat seit langem bewiesen, dass sie der Schwerkraft entgegenwirken kann; Hier wird es unterstützend eingesetzt, ein Prozess, der als akustophoretischer Druck bezeichnet wird.

Quelle:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

Der akustische Subwellenlängenresonator liefert an der Düsenspitze ein akustisches Feld, das 100-mal stärker als die Schwerkraft (1 g) ist – viermal so groß wie die Anziehungskraft der Sonne. Wenn ein Tröpfchen seine kritische Größe erreicht, wird es durch die akustische Kraft aus der Düse gezogen und zum Zielort geschleudert. Wichtig ist, dass die Tröpfchengröße unabhängig von der Viskosität der Flüssigkeit durch die Wellenamplitude bestimmt wird.

Referenz:Wissenschaftliche Fortschritte | doi:10.1126/sciadv.aat1659 | Harvard University

Tests und Anwendungen

Quelle:Daniele Foresti/Jennifer A. Lewis/Harvard University

Die Methode wurde an einer Vielzahl von Materialien validiert – Biopolymere, Honig, optische Harze, Stammzelltinten und flüssige Metalle. Da Schallwellen keine Tröpfchen durchdringen können, bewahrt die Technik die Integrität empfindlicher Biomoleküle wie Proteine und lebende Zellen.

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Forscher gehen davon aus, dass der akustophoretische Druck die Produktion von Kosmetika, Biopharmazeutika und Lebensmitteln revolutionieren und den Einsatz leitfähiger und optischer Materialien erweitern könnte.