Ny model, der beskriver deformation og brud på dråber, kan hjælpe med at forbedre udskrivning og sprøjtning i nanoskala

Efterhånden som interessen og efterspørgslen efter nanoteknologi fortsat stiger, så vil behovet for nanoskalaudskrivning og sprøjtning, som er afhængig af at deponere bittesmå dråber væske på en overflade. Nu har forskere fra Tsinghua University i Beijing udviklet en ny teori, der beskriver, hvordan en sådan nanosiseret dråbe deformeres og brydes op, når den rammer en overflade.

Modellen, diskuteret i deres publikation, der vises i denne uge i Væskers fysik , kunne hjælpe forskere med at forbedre kvaliteten af ​​trykning og belægning i nanoskala, vigtigt for alt fra udskrivning og belægning af små enheder og strukturer til 3D-printere og robotter.

Når det kommer til sprøjtning af belægninger, for eksempel, jo mindre og hurtigere dråberne er, når de rammer overfladen, jo bedre kvalitet af belægningen, sagde Min Chen, en professor i Engineering Mechanics Department ved Tsinghua University. Imidlertid, ved visse stødhastigheder, dråberne går i stykker og sprøjter, ødelægger belægningen.

Så for at forbedre tryk- og sprøjteteknikker, vi skal bedre forstå de forhold, der får dråber til at deformere, når de rammer en overflade, samt hvordan de går i stykker. Men fordi det er meget svært at eksperimentere med nanoserede dråber, forskere er ofte afhængige af computersimuleringer.

Bu-Xuan Li og Xin-Hao Li, sammen med Chen, brugte en teknik kaldet molekylær dynamiksimulering, hvor de simulerede hvert molekyle, der udgør en dråbe vand. Hver dråbe, bestående af cirka 12, 000 molekyler, er omkring 8,6 nanometer i diameter og rammer overfladen med hastigheder på et par hundrede meter i sekundet. Computeren simulerer, hvad der sker, når opsamlingen af ​​vandmolekyler rammer en flad overflade.

"Vi udviklede en analytisk model til at beskrive deformationsprocessen og en anden til at beskrive brudprocessen, "Sagde Chen. Deformationsmodellen forbedrer teamets tidligere arbejde, "men opdelingsmodellen er helt ny."

Opbrudsmodellen kombinerer teori med resultaterne fra simuleringerne, giver en formel, som forskere kan bruge til at beregne, hvornår en dråbe vil bryde sammen. Ifølge Chen, modellen er klar til brug i applikationer.

En begrænsning er, at modellen kun er verificeret til at fungere for dråber i nanoskalaen, og ikke for større dråber. "Årsagen er, at måden en dråbe bryder op er forskellig i makro og nanoskala, "Sagde Bu-Xuan Li.

Modellen gælder også kun for såkaldte newtonske væsker som vand. Forskerne arbejder nu på at udvikle en model for ikke-newtoniske væsker, såsom råolie eller den klæbrige blanding af majsstivelse og vand, undertiden kendt som Oobleck. For eksempel, en ikke-newtonsk model ville være nødvendig for 3-D-trykpolymerer og biomaterialer, såsom menneskeligt væv og organer.

Modellen kan også bruges til at beskrive, hvordan vanddråber støder sammen med fly og danner is, hvilket er en sikkerhedsrisiko. Disse vanddråber, hængende i skyer, typisk spænder fra 20 til 50 mikrometer - større end dem i simuleringerne. Stadig, Chen sagde, deres model er nyttig, fordi der ikke er meget kendt om, hvordan disse vanddråber påvirker fly.