Nature Communications:精心控制液滴,制备柔软仿生结构-汶颢股份
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Nature Communications:精心控制液滴,制备柔软仿生结构

在房屋涂料上面突然出现通常会让人们看到罐子内部。但普林斯顿大学的研究人员已将目光向上转移到盖子的下方,在那里,液滴图案可以激发出制造显微镜小结构的新方法。

液滴图案可以激发出制造显微镜小结构的新方法 

诀窍在于控制液滴,这些液滴在重力和表面张力等竞争影响下形成。10月26日发表在Nature Communications杂志上的一项新研究解释了如何更加深入地了解这些高度动态,有时不稳定的力量,以便廉价地快速制造通常需要更昂贵和耗时过程的物体。“我们已经废除了模具,”普林斯顿大学化学与生物工程助理教授,该研究的首席研究员皮埃尔 - 托马斯布伦说。“我们不需要洁净室或任何花哨的设备,因此工程师在设计过程中拥有更多自由。”

控制液滴,这些液滴在重力和表面张力等竞争影响下形成 

该团队使用医疗设备中常见的硅胶,在一块大小相当于光盘大小的盘子上倾倒一层薄薄的液体薄膜,然后在薄膜固化的同时翻转倒置几分钟。没有干预,液体硅胶凝结成不规则的液滴阵列 - 就像盖子下的油漆一样。但是,通过用数学精度蚀刻印版,用激光切割标记,研究人员将这些水滴“播种”成完美六边形的网格,每个网格都有一个统一的尺寸。普林斯顿大学的博士后研究员,论文的第一作者乔尔·马瑟洛特说:“重力想把液体拉下来。”“毛细管力要求表面最小变形。因此这两种力之间存在竞争,从而产生结构的长度尺度。”

毛细管力要求表面最小变形。因此这两种力之间存在竞争,从而产生结构的长度尺度 

更复杂的实验版本使用离心机代替重力,这使得团队可以在不确定的范围内改变液滴的大小。在这个版本中,他们使用的塑料圆筒看起来像透明的冰球,而不是板材。多余的液体旋转脱落并留下可预测的固化液滴图案。该技术可以达到其机械极限,产生的结构晶格大约为10微米,是人类头发宽度的一小部分。这些结构是原型,模拟了智能手机中常见部分的软镜头。“旋转的速度越快,水滴就越小,”Marthelot说道,并指出他们可以制造的结构比迄今为止的结构还要小。“我们真的不知道我们的技术极限。只有离心机的极限。”

离心机的极限 

根据Brun的说法,导致这种行为的机械不稳定性通常被工程师视为一种克星。它们是确定重量负荷或热容量的物理阈值。“在这种情况下,”他说,“我们利用了通常被视为糟糕的东西。我们驯服它并通过将其转变为制造的途径使其发挥作用。”

重量负荷或热容量的物理阈值 

研究人员表示,该技术可以很容易地扩展到大规模制造。随着他们的方法的发展,他们计划创造仿生设备,如模仿昆虫眼睛的可充气复合镜片,或可用于医疗技术的软机器人。麻省理工学院数学副教授JörnDunkel说:“人们可以设想一种广泛的潜在未来应用,从减阻或超疏水表面到微透镜和人工睫状地毯。”除了Brun和Marthelot之外,另外两位研究人员为这项研究做出了贡献:Elizabeth Strong,以前是麻省理工学院的学生,现在是博士。科罗拉多大学博尔德分校候选人;和洛桑联邦理工学院的Pedro M. Reis。

文章信息:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06984-7

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