Forscher vereinfachen den Konstruktionstropfen winziger Strukturen durch Tropfen.

Das Knallen des Deckels auf Hausfarbe zieht normalerweise Leute an, um in die Dose zu schauen. Aber die Princeton-Forscher haben ihren Blick nach oben gerichtet, auf die Unterseite des Deckels, wo sich herausstellt, dass das Muster der Tröpfchen neue Wege zur Herstellung mikroskopisch kleiner Strukturen eröffnen könnte.

Der Trick liegt in der Kontrolle der Tröpfchen, die sich unter konkurrierenden Einflüssen wie Schwerkraft und Oberflächenspannung bilden. Eine neue Studie, die am 26. Oktober in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, erklärt, wie ein tieferes Verständnis dieser hochdynamischen, manchmal instabilen Kräfte genutzt werden kann, um kostengünstig und schnell Objekte herzustellen, die normalerweise einen teureren und zeitaufwändigeren Prozess erfordern.

„Wir haben die Schimmelpilze beseitigt“, sagte Pierre-Thomas Brun, Assistenzprofessor für Chemie und Bioverfahrenstechnik an der Universität Princeton und leitender Prüfarzt der Studie. „Wir brauchen keinen Reinraum oder eine ausgefallene Ausrüstung, so dass die Ingenieure viel mehr Freiheit im Designprozess haben.“

Mit einem in Medizinprodukten üblichen Silikon goss das Team einen dünnen Flüssigkeitsfilm über die Oberfläche einer Platte von der Größe einer Compact Disc, den sie dann während der Aushärtung der Folie mehrere Minuten lang auf den Kopf stellte. Ohne Eingriff erstarrt das Flüssigsilikon zu einer unregelmäßigen Anordnung von Tröpfchen – ähnlich wie die Farbe unter einem Deckel. Aber durch mathematisch präzises Ätzen der Platte, mit Hilfe von Lasern zum Schneiden der Markierungen, „setzten“ die Forscher die Tröpfchen in ein Gitter aus perfekten Sechsecken mit jeweils einer einheitlichen Dimension.

„Die Schwerkraft will die Flüssigkeit nach unten ziehen“, sagte Joel Marthelot, Postdoktorand an der Princeton University und Hauptautor der Arbeit. „Kapillarkräfte wollen, dass sich die Oberfläche minimal verformt. Es gibt also einen Wettbewerb zwischen diesen beiden Kräften, der zur Längenskala der Struktur führt.“

Raffiniertere Versionen des Experiments verwendeten eine Zentrifuge anstelle der Schwerkraft, wodurch das Team die Größe der Tropfen mit einem unbestimmten Bereich variieren konnte. Anstelle von Tellern verwendeten sie in dieser Version Kunststoffzylinder, die wie klare Hockeypucks aussehen. Die überschüssige Flüssigkeit spaltete sich ab und hinterließ ihr vorhersehbares Muster aus ausgehärteten Tropfen. Die Technik arbeitete bis an die Grenzen ihrer Maschinen, die ein Gitter aus Strukturen erzeugten, die jeweils etwa 10 Mikrometer groß waren, ein Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares. Die Strukturen, die Prototypen sind, simulieren die Arten von weichen Linsen, die bei Smartphones üblich sind.

„Je schneller es sich dreht, desto kleiner sind die Tropfen“, sagte Marthelot und bemerkte, dass sie Strukturen noch kleiner machen könnten als das, was sie bisher erreicht hatten. „Wir kennen die Grenzen unserer Technik nicht wirklich. Nur die Grenze unserer Zentrifuge.“

Laut Brun betrachten Ingenieure die Arten von mechanischen Instabilitäten, die dieses Verhalten verursachen, meist als eine Art Nemesis. Sie sind die physikalischen Schwellenwerte, die Gewichtsbelastungen oder Wärmekapazitäten bestimmen. „In diesem Fall“, sagte er, „haben wir etwas ausgenutzt, das normalerweise als schlecht angesehen wird. Wir zähmten es und machten es funktionsfähig, indem wir es in einen Weg zur Herstellung verwandelten.“

Die Technik kann leicht auf die Großserienfertigung erweitert werden, sagten die Forscher. Im Zuge der Weiterentwicklung ihrer Methoden wollen sie biomimetische Geräte entwickeln, wie eine aufblasbare Verbundlinse, die das Auge eines Insekts nachahmt, oder weiche Roboter, die in der Medizintechnik eingesetzt werden können.

„Man kann sich eine breite Palette möglicher zukünftiger Anwendungen vorstellen“, sagt Jörn Dunkel, außerordentlicher Professor für Mathematik am Massachusetts Institute of Technology, „von schleppmindernden oder superhydrophoben Oberflächen über Mikrolinsen bis hin zu künstlichen Zilifteppichen“.

Mehr Informationen:
J. Marthelot et al. Designing soft materials with interfacial instabilities in liquid films, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06984-7

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 22 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares