蛇口の水は重力によって滴り落ちるが、重力だけでに頼っていては、液体の落下までの期間の制御が難しい。また、水の2億倍の粘度を持つ液体なら1滴のしずくを形成するのに何年もかかってしまう。

ハーバード大学の研究者は、プリンタのノズルに圧力を加えることで、液体を最適なタイミングで落下させる技術を開発した。これにより、粘度に関わらず液体のサイズを制御してプリントすることが可能になる。ノズルにかける圧力には音波を利用している。

・りんごを収穫するようにしずくをもぎとる

空中にモノを浮かすこともできる音波だが、今回はしずくの形成を早めるために使う。ノズルの先に集中的に音響場を生成することでしずくを作り、まるでリンゴの木からりんごを収穫するようにもぎとる。

しずく、つまり液的は、インクジェットプリントから製薬まで、じつに多くの用途で使用される。例えば、最も身近だろうインクジェットプリントでは、インクが水の10倍程度の粘度だからこそ適度なサイズで紙に滴下できる。

ところが、製薬などに関わる研究では、これよりはるかに粘度の高い液体が使われる。例えば、バイオ医薬品の製造やバイオプリンティングに不可欠な生体高分子や細胞液は、水の100倍以上の粘度を持つものもあり、ブドウ糖ベースの生体高分子の粘度は水の約2万5000倍だ。

さらに、物質の粘度は、温度や組成によって大きく変化し、これがサイズの制御をより困難にしている。

・100Gを超える圧力をノズル先端に加えて制御

音響場を活用することで、さまざまな粘度の液滴の、サイズを制御して垂らすことができる。

まず、プリンタノズルの先端に向かって100Gを超える圧力を集中的に加える。

しずくが特定のサイズに達したときにノズルからもぎとり、印刷対象に向けて落下させる。液体の粘度に関わらず、音波の振幅が大きいほどしずくのサイズは小さくなる。

さらには、音波は液体を通過しないため、生体細胞やタンパク質などのデリケートな素材も壊すことなく利用できるという。

研究者らは、蜂蜜から生体高分子、光学樹脂から液体金属まで、さまざまな素材を用いた検証を成功させている。

音響を利用した新しい印刷プラットフォームは、製薬業界に大きな影響を与えるだけでなく、化粧品や食品から導電性素材の開発にまで、幅広く活用されることになるだろう。

参照元：Printing with sound/Harvard.edu