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Der Bau der kleinen Strukturen, Tropfenfänger durch Tropfenfänger

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Forscher erforschen Methoden der Anwendung von sorgfältig kontrollierten Tröpfchen als Weise, die weichen, biomimetic Strukturen zu machen. Der Trick kommt, wenn er die Tröpfchen steuert, die unter konkurrierenden Einflüssen wie Schwerkraft und Oberflächenspannung sich bilden. Eine neue Studie erklärt, wie ein tieferes Verständnis dieser in hohem Grade dynamischen Kräfte zu vorgespannt werden kann Gegenstände billig und schnell zu fabrizieren, die normalerweise ein teureres und ein aufwändiges Verfahren erfordern.

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Das Knallen der Spitze auf Bautenanstrichfarbe zeichnet normalerweise Leute, um innerhalb der Dose zu schauen. Aber Princeton-Forscher haben ihr Anstarren aufwärts, zur Unterseite des Deckels gedreht, in dem er ausfällt, dass Muster von Tröpfchen neue Weisen anspornen könnte, kleine Strukturen mikroskopisch zu machen.

Der Trick kommt, wenn er die Tröpfchen steuert, die unter konkurrierenden Einflüssen wie Schwerkraft und Oberflächenspannung sich bilden. Eine neue Studie, veröffentlicht am 26. Oktober in den Zeitschrift Natur-Kommunikationen, erklärt wie ein tieferes Verständnis von diesen in hohem Grade dynamischen, können manchmal instabile Kräfte zu vorgespannt werden Gegenstände billig und schnell zu fabrizieren, die normalerweise ein teureres und ein aufwändiges Verfahren erfordern.

„Wir haben die Formen beseitigt,“ sagte Pierre-Thomas Brun, Assistenzprofessor der chemischen und biologischen Technik an Princeton und am Projektleiter für die Studie. „Wir benötigen einen Reinraum oder keine fantastische Ausrüstung, also haben Ingenieure viel mehr Freiheit im Designprozess.“

Unter Verwendung eines Silikons, das in den medizinischen Geräten allgemein ist, goss das Team einen dünnen flüssigen Film über der Oberfläche einer Platte, über die Größe einer CD, der sie dann umgedrehtes für einige Minuten leicht schlugen, während der Film kurierte. Ohne Intervention erstarrt das flüssige Silikon in eine unregelmäßige Reihe Tröpfchen -- ganz wie die Farbe unter einem Deckel. Aber durch die Ätzung der Platte mit mathematischer Präzision, unter Verwendung der Laser, um die Kennzeichen zu schneiden, die Forscher „gesät“ die Tröpfchen in ein Gitter von perfekten Hexagonen, je mit einem einheitlichen Maß.

„Schwerkraft möchte die Flüssigkeit herunterziehen,“ sagte Joel Marthelot, Habilitationswissenschaftlichen mitarbeiter bei Princeton und führenden Autor auf dem Papier. „Haarartige Kräfte wünschen die Oberfläche sich minimal verformen. So es gibt einen Wettbewerb zwischen diesen zwei Kräften, der verursacht die Längenskala der Struktur.“

Hoch entwickeltere Versionen des Experimentes benutzten eine Zentrifuge anstelle der Schwerkraft, die dem Team erlaubte, sich die Größe der Tropfen mit einer unbestimmten Strecke zu unterscheiden. Anstelle der Platten in dieser Version benutzten sie Plastikzylinder, die wie klare Hockey-Pucke aussehen. Die überschüssige Flüssigkeit spann weg und verließ ihr vorhersagbares Muster von kurierten Rückgängen. Die Technik arbeitete unten zur Grenze auf ihre Maschinerie, die ein Gitter von Strukturen produzierte, die jede herum 10 Mikrometer waren, ein Bruch der Breite eines Menschenhaars. Die Strukturen, die Prototypen sind, simulieren die Arten von weichen Linsen, die ein allgemeines Teil in den Smartphones sind.

„Schneller es spinnt, das kleiner die Tropfen,“ sagte Marthelot, die Anmerkung, dass sie Strukturen sogar kleiner machen konnten als, was sie bis jetzt erzielt hatten. „Wir nicht wirklich kennen die Grenze auf unsere Technik. Nur die Grenze auf unsere Zentrifuge.“

Entsprechend Brun werden die Arten von mechanischen Instabilitäten, die dieses Verhalten verursachen, normalerweise von den Ingenieuren als eine Art Nemesis angesehen. Sie sind die körperlichen Schwellen, die Gewichtsbelastungen oder die Hitzekapazitäten bestimmen. „In diesem Fall,“ sagte er, „wir nutzten etwas, das normalerweise als Schlechtes gesehen wird. Wir zähmten es und machten es funktionell, indem wir drehten es in eine Bahn zur Herstellung.“

Die Technik kann zur umfangreichen Herstellung leicht erweitert werden, sagten die Forscher. Während ihre Methoden entwickeln, planen sie, biomimetic Geräte, wie eine aufblasbare Verbundlinse, die das Auge eines Insekts nachahmt, oder soft Roboter zu schaffen, die in den medizinischen Technologien benutzt werden können.

„Man kann sich eine breite Palette der möglichen zukünftigen Anwendung vorstellen,“ sagte Jörn Dunkel, außerordentlichen Professor von Mathematik bei Massachusetts Institute of Technology, „von der Widerstand-Verringerung oder von den superhydrophobic Oberflächen zu den Mikrolinsen und zu den künstlichen ciliary Teppichen.“

Zusätzlich zusätzlich Brun und zu Marthelot zwei andere Forscher beigetragen zur Studie: Elizabeth Strong, früher ein Student an MIT und jetzt ein Ph.D.-Kandidat an der Universität von Colorado, Boulder; und Pedro M. Reis des Ecole Polytechnique Fédérale-Des Lausanne.