Следующему поколению телефонов и беспроводных устройств потребуются новые антенны для доступа к все более и более высоким частотным диапазонам. Один из способов сделать антенны, работающие на частотах в десятки гигагерц — частотах, необходимых для устройств 5G и выше, — это сплести нити диаметром около 1 микрометра. Но современные технологии промышленного производства не работают с такими тонкими волокнами.
Теперь группа исследователей из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработала простую машину, которая использует поверхностное натяжение воды для захвата и управления микроскопическими объектами, предлагая потенциально мощный инструмент для наноскопического производства.
Исследование опубликовано в Nature .
«Наша работа предлагает потенциально недорогой способ производства микроструктурированных и, возможно, наноструктурных материалов», — сказал Винотан Манохаран, профессор химического машиностроения и физики в SEAS и старший автор статьи. «В отличие от других методов микроманипуляции, таких как лазерный пинцет, наши машины можно легко изготовить. Мы используем резервуар с водой и 3D-принтер, подобные тем, которые можно найти во многих публичных библиотеках».
Машина представляет собой напечатанный на 3D-принтере пластиковый прямоугольник размером примерно со старый картридж Nintendo. Внутренняя часть устройства вырезана с пересекающимися каналами. Каждое русло имеет широкие и узкие участки, подобно реке, которая в одних частях расширяется, а в других сужается. Стенки канала гидрофильны, то есть притягивают воду.
С помощью серии симуляций и экспериментов исследователи обнаружили, что когда они погрузили устройство в воду и поместили в канал пластиковый поплавок миллиметрового размера, поверхностное натяжение воды заставило стену отталкивать поплавок. Если поплавок находился в узком участке канала, он перемещался в широкий участок, где мог плавать как можно дальше от стенок.
Оказавшись в широком участке канала, поплавок застрял бы в центре, удерживаемый силами отталкивания между стенками и поплавком. Когда устройство поднималось из воды, силы отталкивания менялись по мере изменения формы канала. Если бы поплавок с самого начала находился в широком канале, он мог бы оказаться в узком канале при падении уровня воды, и ему нужно было бы двигаться влево или вправо, чтобы найти более широкое место.
«Момент озарения наступил, когда мы обнаружили, что можем перемещать объекты, изменяя поперечное сечение наших улавливающих каналов», — сказала Майя Фааборг, сотрудник SEAS и соавтор статьи.
Затем исследователи прикрепили микроскопические волокна к поплавкам. При изменении уровня воды и перемещении поплавков влево или вправо в каналах волокна скручивались друг вокруг друга.
«Это был радостный момент, когда — с первой попытки — мы сплели два волокна, используя только кусок пластика, резервуар для воды и платформу, которая движется вверх и вниз», — сказал Фааборг.
Затем команда добавила третий поплавок с волокном и разработала серию каналов для перемещения поплавков в виде плетения. Они успешно сплели волокна микрометрового размера из синтетического материала кевлар. Коса была похожа на традиционную косу из трех прядей, за исключением того, что каждое волокно было в 10 раз меньше, чем один человеческий волос.
Затем исследователи показали, что сами поплавки могут быть микроскопическими. Они создали машины, которые могли улавливать и перемещать коллоидные частицы размером 10 микрометров, хотя машины были в тысячу раз больше.
«Мы не были уверены, что это сработает, но наши расчеты показали, что это возможно», — сказал Ахмед Шериф, доктор философии. студент SEAS и соавтор статьи. «Итак, мы попробовали это, и это сработало. Удивительная вещь в поверхностном натяжении заключается в том, что оно создает силы, достаточно мягкие, чтобы захватывать крошечные объекты, даже с машиной, достаточно большой, чтобы поместиться в вашей руке».
Затем команда стремится разработать устройства, которые могут одновременно манипулировать многими волокнами, с целью создания высокочастотных проводников. Они также планируют разработать другие машины для микропроизводства, такие как строительные материалы для оптических устройств из микросфер.
Дополнительная информация: Cheng Zeng et al, 3D-печатные машины, которые манипулируют микроскопическими объектами с помощью капиллярных сил, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05234-7
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com