Nature Communications：精心控制液滴，制備柔軟仿生結(jié)構(gòu)
在房屋涂料上面突然出現(xiàn)通常會(huì)讓人們看到罐子內(nèi)部。但普林斯頓大學(xué)的研究人員已將目光向上轉(zhuǎn)移到蓋子的下方，在那里，液滴圖案可以激發(fā)出制造顯微鏡小結(jié)構(gòu)的新方法。
訣竅在于控制液滴，這些液滴在重力和表面張力等競(jìng)爭(zhēng)影響下形成。10月26日發(fā)表在Nature Communications雜志上的一項(xiàng)新研究解釋了如何更加深入地了解這些高度動(dòng)態(tài)，有時(shí)不穩(wěn)定的力量，以便廉價(jià)地快速制造通常需要更昂貴和耗時(shí)過(guò)程的物體?！拔覀円呀?jīng)廢除了模具，”普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程助理教授，該研究的首席研究員皮埃爾 - 托馬斯布倫說(shuō)?！拔覀儾恍枰獫崈羰一蛉魏位ㄉ诘脑O(shè)備，因此工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中擁有更多自由?！?/span>
該團(tuán)隊(duì)使用醫(yī)療設(shè)備中常見(jiàn)的硅膠，在一塊大小相當(dāng)于光盤(pán)大小的盤(pán)子上傾倒一層薄薄的液體薄膜，然后在薄膜固化的同時(shí)翻轉(zhuǎn)倒置幾分鐘。沒(méi)有干預(yù)，液體硅膠凝結(jié)成不規(guī)則的液滴陣列 - 就像蓋子下的油漆一樣。但是，通過(guò)用數(shù)學(xué)精度蝕刻印版，用激光切割標(biāo)記，研究人員將這些水滴“播種”成完美六邊形的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格都有一個(gè)統(tǒng)一的尺寸。普林斯頓大學(xué)的博士后研究員，論文的第一作者喬爾·馬瑟洛特說(shuō)：“重力想把液體拉下來(lái)。”“毛細(xì)管力要求表面最小變形。因此這兩種力之間存在競(jìng)爭(zhēng)，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度尺度。”
更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)版本使用離心機(jī)代替重力，這使得團(tuán)隊(duì)可以在不確定的范圍內(nèi)改變液滴的大小。在這個(gè)版本中，他們使用的塑料圓筒看起來(lái)像透明的冰球，而不是板材。多余的液體旋轉(zhuǎn)脫落并留下可預(yù)測(cè)的固化液滴圖案。該技術(shù)可以達(dá)到其機(jī)械極限，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)晶格大約為10微米，是人類(lèi)頭發(fā)寬度的一小部分。這些結(jié)構(gòu)是原型，模擬了智能手機(jī)中常見(jiàn)部分的軟鏡頭。“旋轉(zhuǎn)的速度越快，水滴就越小，”Marthelot說(shuō)道，并指出他們可以制造的結(jié)構(gòu)比迄今為止的結(jié)構(gòu)還要小?！拔覀冋娴牟恢牢覀兊募夹g(shù)極限。只有離心機(jī)的極限。”
根據(jù)Brun的說(shuō)法，導(dǎo)致這種行為的機(jī)械不穩(wěn)定性通常被工程師視為一種克星。它們是確定重量負(fù)荷或熱容量的物理閾值?！霸谶@種情況下，”他說(shuō)，“我們利用了通常被視為糟糕的東西。我們馴服它并通過(guò)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃斓耐緩绞蛊浒l(fā)揮作用?！?/span>
研究人員表示，該技術(shù)可以很容易地?cái)U(kuò)展到大規(guī)模制造。隨著他們的方法的發(fā)展，他們計(jì)劃創(chuàng)造仿生設(shè)備，如模仿昆蟲(chóng)眼睛的可充氣復(fù)合鏡片，或可用于醫(yī)療技術(shù)的軟機(jī)器人。麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)副教授J?rnDunkel說(shuō)：“人們可以設(shè)想一種廣泛的潛在未來(lái)應(yīng)用，從減阻或超疏水表面到微透鏡和人工睫狀地毯?！背薆run和Marthelot之外，另外兩位研究人員為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)：Elizabeth Strong，以前是麻省理工學(xué)院的學(xué)生，現(xiàn)在是博士?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校候選人;和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Pedro M. Reis。
文章信息：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06984-7
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