多孔材料(如巖石)及其與流體的相互作用廣泛存在于油氣資源開采、地?zé)崮芴崛?、二氧化碳封存、甚至行星探測中的地外資源利用（水提?。┑葢?yīng)用中，然而，大多數(shù)巖石內(nèi)部孔喉形態(tài)不規(guī)則，表面物理化學(xué)特性如表面潤濕性也比較復(fù)雜。因此，探索巖石內(nèi)部液體的流動(dòng)過程，尤其是微尺度下的流固交互作用，仍然具有挑戰(zhàn)性。近年來，高精度3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展使得復(fù)現(xiàn)這種復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)變得可能。借助流動(dòng)可視化手段，3D打印的微流控模型可以用于直接觀察流體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。但是，目前打印材料僅限于光固化聚合物及其衍生物，其理化特性包括其礦物化學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)、表面潤濕性等與天然巖石（如碳酸巖）存在顯著差異。所有這些特性都對(duì)多孔介質(zhì)中的流體相變和多相流動(dòng)過程有著重要影響。

近日，哈利法大學(xué)的張鐵軍教授團(tuán)隊(duì)基于面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（PμSL，深圳摩方材料科技有限公司nanoArch S130）, 通過表面礦物涂層的方法制備出一種巖石微流控模型。這種新穎的制備方法包括三個(gè)主要步驟，如圖1所示：（i）使用純光敏樹脂（HDDA）打印具有三維巖石孔隙結(jié)構(gòu)的微模型；（ii）在微模型的內(nèi)表面植入碳酸鈣納米顆粒；（iii）以植入的納米顆粒為核，在微模型內(nèi)部原位生長碳酸鹽晶體。該模型可以成功復(fù)現(xiàn)天然巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)和表面礦物學(xué)特性。該成果以“Empowering Microfluidics by Micro-3D Printing and Solution-based Mineral Coating"為題發(fā)表在Soft Matter上，第一作者是哈利法大學(xué)李紅霞博士。

圖1. 巖石微模型的制備過程

在該工作中，張教授的團(tuán)隊(duì)利用高精度3D打印技術(shù)制備了不同用途的微模型，包括微流控器件和巖石微模型。微流控器件由三個(gè)平行通道組成（請(qǐng)參見圖2a）：每個(gè)通道的寬度分別為116±2、174±2和305±2 µm。在圖2b中，巖石微模型是根據(jù)天然碳酸巖的CT掃描照片打印而成。在掃描電鏡下，我們可以看到巖石微模型可以很好的復(fù)現(xiàn)真實(shí)巖石中狹窄的孔喉結(jié)構(gòu)，并且也可清晰地觀測到在微模型表面原位生長的碳酸鹽晶體。此外，XRD光譜也證實(shí)該微模型表面的礦物成分是碳酸鈣晶體，與天然碳酸巖相同。這種碳酸鹽涂層厚度大約在2~10微米，仍然使微流控器件保持了一定的透光性，有利于流體的可視化研究。

圖2. 3D打印的微模型在表面涂層后的形貌 （a，b）掃描電鏡下微模型的孔喉結(jié)構(gòu)及表面碳酸鹽晶體：（a）在微流控模型內(nèi)表面以及（b）三維巖石微模型內(nèi)表面。（c）表面涂層的XRD光譜。

圖3. 利用微流控模型的流動(dòng)可視化研究：案例（a）水-油/水-氣在巖石微模型內(nèi)部的驅(qū)替過程；案例（b，c）水在孔喉內(nèi)部的蒸發(fā)過程。

基于所制備的微模型，該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)水/氣和水/油的驅(qū)替過程進(jìn)行直接成像（如圖3a）, 表征了固體表面潤濕性對(duì)流體交界面和流動(dòng)路徑的影響等。此外，他們還觀測到液體在多孔介質(zhì)里面的蒸發(fā)相變過程（圖3b），包括不同大小空隙內(nèi)蒸發(fā)的難易程度、喉部液膜的漸薄和破裂過程等。

總之，該工作為制備功能性多孔材料開辟了一條新途徑。據(jù)我們所知，這是第一次結(jié)合高分辨率3D打印和基于溶液的內(nèi)部涂層方法，制備“真實(shí)的"巖石微模型。這種方法也具有很強(qiáng)的通用性：通過更改涂層材料和三維空隙結(jié)構(gòu)，此類功能性微模型也可以很好地推廣到生物醫(yī)學(xué)、軟體機(jī)器人、航空航天和其他新興應(yīng)用。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sm/d0sm00958j/unauth#!divAbstract

（以上相關(guān)介紹內(nèi)容由阿聯(lián)酋哈利法大學(xué)李紅霞博士提供）

上述研究工作涉及的微尺度3D打印技術(shù)由深圳摩方材料科技有限公司提供，因此摩方公司就這一創(chuàng)新型成果對(duì)李紅霞博士進(jìn)行了更進(jìn)一步的訪談，以下為部分內(nèi)容：

1、BMF：能概括分享一下近期在《Soft Matter》發(fā)布的巖心微流控案例嗎？（開發(fā)過程、應(yīng)用情況、行業(yè)影響等）BMF高精密3D打印在其中發(fā)揮了什么樣的作用？

李博士：在近期發(fā)表的這項(xiàng)工作中，我們提出了一種制造功能性微流控器件的新穎方法--通過集成微型3D打印和內(nèi)表面涂層技術(shù)。在這項(xiàng)工作中，我們利用該方法已成功制備出廣泛出現(xiàn)在油氣研究中的人造巖心。

利用高精密的3D打印系統(tǒng)，我們可以很好的復(fù)現(xiàn)巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，但是打印材料多數(shù)是光敏樹脂，其物理化學(xué)性（包括表面潤濕性、礦物學(xué)特性等等）能跟真正自然界的巖石差很多。于是，在我們的人造巖心制備過程中，我們首先通過3D打印技術(shù)復(fù)制由微CT掃描得到的碳酸鹽巖的多孔幾何結(jié)構(gòu)，然后通過在打印的模型內(nèi)部空隙表面生長碳酸鹽晶體來模擬巖心真實(shí)的表面特性。這種功能性碳酸鹽涂層只有幾個(gè)微米，所以很好的保持了模型的光學(xué)透明度。所以，我們能夠通過流動(dòng)可視化方法，利用這些透明的模型幫助我們表征油水氣等流體與巖石表面的交互作用，包括潤濕性、毛細(xì)作用等流動(dòng)和變化過程的影響等。這種利用表面功能性涂層結(jié)合微3D打印的制備方法，有利于打破打印材料的局限性，通過調(diào)節(jié)3D微結(jié)構(gòu)和涂層配方等可以輕松地推廣到其他新興應(yīng)用如生物醫(yī)學(xué)等。

2、BMF：您如何評(píng)價(jià)我們摩方的3D打印系統(tǒng)？對(duì)于您所在的科研領(lǐng)域所取得的科研/工作成果，發(fā)揮了多大的助力？

李博士：摩方的打印系統(tǒng)可以提供高精度打印的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大幅面打印。微流控器件的整體尺寸能到兩厘米，可以很好的嵌入到流動(dòng)可視化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)用性很強(qiáng)。

高精密3D打印系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，給我們提供了很大的設(shè)計(jì)和研究的自由度。在我們的研究當(dāng)中，可以加工不同的表面微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制流體與固體界面的交互作用。