Forskere forenkler små strukturer konstruktion dryp for dryp

At trykke toppen på husmaling får normalt folk til at kigge inde i dåsen. Men Princeton -forskere har vendt blikket opad, til lågets underside, hvor det viser sig, at mønster af dråber kunne inspirere til nye måder at lave mikroskopisk små strukturer på.

Tricket kommer til at kontrollere dråberne, som dannes under konkurrerende påvirkninger som tyngdekraft og overfladespænding. En ny undersøgelse, offentliggjort 26. oktober i tidsskriftet Naturkommunikation , forklarer, hvordan en dybere forståelse af disse stærkt dynamiske, nogle gange kan ustabile kræfter udnyttes til billigt og hurtigt at fremstille genstande, der normalt kræver en dyrere og tidskrævende proces.

"Vi har gjort op med formene, "sagde Pierre-Thomas Brun, adjunkt i kemisk og biologisk teknik ved Princeton og hovedforsker for undersøgelsen. "Vi har ikke brug for et rent værelse eller noget fancy udstyr, så ingeniører har meget mere frihed i designprocessen. "

Brug af en silikone, der er almindelig i medicinsk udstyr, holdet hældte en tynd flydende film over overfladen af ​​en tallerken, omtrent på størrelse med en CD, som de derefter vendte på hovedet i flere minutter, mens filmen hærdet. Uden indgriben, den flydende silikone størkner til en uregelmæssig række dråber - meget gerne malingen under et låg. Men ved at ætse pladen med matematisk præcision, ved hjælp af lasere til at skære mærkerne, forskerne "seedede" dråberne i et gitter af perfekte sekskanter, hver med en ensartet dimension.

"Tyngdekraften vil trække væsken ned, "sagde Joel Marthelot, postdoktoral forskningsassistent i Princeton og hovedforfatter på papiret. "Kapillarkræfter vil have, at overfladen deformeres minimalt. Så der er en konkurrence mellem disse to kræfter, hvilket giver anledning til strukturens længdeskala. "

Mere sofistikerede versioner af eksperimentet brugte en centrifuge i stedet for tyngdekraften, hvilket gjorde det muligt for holdet at variere størrelsen på dråberne med et ubestemt interval. I stedet for tallerkener, i denne version brugte de plastikcylindre, der ligner klare hockeypucke. Det overskydende væske sprang af og forlod deres forudsigelige mønster af helbredte dråber. Teknikken arbejdede ned til grænsen for deres maskiner, som producerede et gitter af strukturer, der hver var omkring 10 mikron, en brøkdel af bredden af ​​et menneskehår. Strukturerne, som er prototyper, simulere den slags bløde linser, der er almindelige i smartphones.

"Jo hurtigere det snurrer, jo mindre dråber, "Sagde Marthelot, bemærker, at de kunne gøre strukturer endnu mindre, end hvad de hidtil havde opnået. "Vi kender ikke rigtigt grænsen for vores teknik. Kun grænsen for vores centrifuge."

Ifølge Brun, ingeniører betragter normalt den slags mekaniske ustabilitet, der forårsager denne adfærd, som en slags nemesis. De er de fysiske tærskler, der bestemmer vægtbelastninger eller varmekapacitet. "I dette tilfælde, " han sagde, "vi udnyttede noget, der normalt ses som dårligt. Vi tæmmede det og gjorde det funktionelt ved at gøre det til en vej til fabrikation."

Teknikken kan let udvides til storstilet fremstilling, sagde forskerne. Efterhånden som deres metoder udvikler sig, de planlægger at oprette biomimetiske enheder, som en oppustelig sammensat linse, der efterligner et insekts øje, eller bløde robotter, der kan bruges i medicinske teknologier.

"Man kan forestille sig en lang række potentielle fremtidige applikationer, "sagde Jörn Dunkel, lektor i matematik ved Massachusetts Institute of Technology, "fra trækreducerende eller superhydrofobe overflader til mikrolinser og kunstige ciliartæpper."