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Researchers simplify tiny structures' construction drip by drip

打开房屋油漆的盖子通常会吸引人们往罐子里看。但普林斯顿大学的研究人员已经将目光转向了盖子的下方,在那里,液滴的图案可能会激发出制造微小结构的新方法。

诀窍在于控制水滴,水滴是在重力和表面张力等相互竞争的影响下形成的。10月26日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一项新研究解释了如何更深入地了解这些高度动态、有时不稳定的力量,从而以更低的成本、更快的速度制造出通常需要更昂贵和更耗时的过程的物体。

“我们已经去掉了这些霉菌,”普林斯顿大学化学和生物工程助理教授、这项研究的首席研究员皮埃尔-托马斯·布伦(Pierre-Thomas Brun)说。“我们不需要干净的房间或任何花哨的设备,所以工程师在设计过程中有更多的自由。”

研究小组使用医疗设备中常见的硅树脂,在一个光盘大小的盘子表面倒了一层薄薄的液体薄膜,然后在薄膜固化的过程中把它倒过来翻转几分钟。在没有干预的情况下,液态硅会凝结成不规则的液滴阵列——就像盖子下的油漆一样。但是通过精确的数学蚀刻,利用激光切割这些痕迹,研究人员将这些水滴“播种”到一个由完美六边形组成的晶格中,每个六边形都有一个统一的尺寸。

Samples of patterns in descending size

图中显示的是三个减小尺寸的实验室样品。这些环在离心分离机中固化,利用加速度来控制液滴结构的长度,可以用来制造仿生设备,如人工复眼或纤毛毯。

“重力想把液体往下拉,”普林斯顿大学博士后研究助理、论文第一作者乔尔·马泰罗特(Joel Marthelot)说。“毛细管力希望表面变形最小。所以这两种力量之间存在竞争,这就导致了结构的长度规模。”

更复杂的实验版本使用离心机代替重力,这使得研究小组可以在不确定的范围内改变液滴的大小。在这个版本中,他们没有使用盘子,而是使用塑料圆柱体,看起来像透明的冰球。多余的液体脱落,留下了可预测的固化液滴形状。这项技术使他们的机器达到了极限,产生了每个大约10微米的晶格结构,这只是人类头发宽度的一小部分。这种结构是原型,模拟了智能手机中常见的软性镜头。

“它旋转得越快,雨滴就越小,”Marthelot说,并指出他们可以制造出比目前更小的结构。“我们真的不知道我们技术的极限。只有离心机的极限。”

根据Brun的说法,工程师们通常把导致这种行为的机械不稳定性看作是一种报应。它们是决定重量、负荷或热容的物理阈值。“在这种情况下,”他说,“我们利用了通常被视为糟糕的东西。我们驯服了它,把它变成了制造的途径,让它发挥了功能。”

研究人员说,这项技术可以很容易地扩展到大规模生产。随着他们的方法不断发展,他们计划创造仿生设备,比如可以模仿昆虫眼睛的充气复合镜片,或者可以用于医疗技术的软机器人。

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)数学副教授约恩•邓克尔(Jorn Dunkel)表示:“人们可以设想未来的广泛应用前景,从减阻或超疏水表面,到微透镜和人工纤毛地毯。”

除了Brun和Marthelot,其他两位研究人员也参与了这项研究:Elizabeth Strong,前麻省理工学院学生,现为博尔德科罗拉多大学博士生;洛桑联邦理工学院的佩德罗·里斯。