Former med 'kapillærladninger' samles selv på overfladen af ​​væsker

Når en væske kommer i kontakt med et fast stof, deformeres væskeoverfladen på grund af kræfter mellem de forskellige involverede molekyler. Disse såkaldte kapillarkræfter kan løfte væsken ved grænsefladen eller trykke den ned. Meget afhænger af de involverede intramolekylære kræfter, men formen af ​​det faste stof spiller også en rolle.

Disse kræfter fører til vigtige og velkendte fænomener. Opsugningsprocessen er en, hvor en væske trækkes op i et smalt rør mod tyngdekraften. Dette er en af ​​de vigtigste processer, hvorved træer og planter trækker vand op af jorden.

Men der er også mindre kendte applikationer. En idé er at bruge kapillære kræfter til at få flydende partikler til at samle sig selv til større, mere komplekse former.

I dag har Nicolas Vandewalle og venner ved Université of Liège i Belgien udviklet en helt ny måde at manipulere kapillærkræfter til selvsamlende strukturer. Tricket, disse fyre har perfektioneret, er at skabe både attraktive og frastødende kræfter ved omhyggeligt at kontrollere formen på de partikler, de vil samle. Vores metode er baseret på skabelsen af ​​kapillære multipoler, der inducerer enten tiltrækkende eller frastødende kræfter, siger de.

En måde at skabe både tiltrækkende og frastødende kræfter på er at dække byggestenene med hydrofobe eller hydrofile belægninger. Dette skaber forskellige kapillære 'ladninger'. Og da modsatte ladninger tiltrækker, mens lignende ladninger frastøder, kan dette udnyttes under selvsamling.

Men det er en tidskrævende forretning, især når forskellige dele af den samme byggeblok skal være attraktive og frastødende og kræver forskellige belægninger.

Meget nemmere ville være en måde at fremstille byggestenene i et enkelt trin med de nødvendige kapillarladninger. Og det er præcis, hvad Vandewalle og co har gjort.

Disse fyre viser, hvordan bøjning af byggestenene, så de ikke længere er flade i forhold til væskeoverfladen, kan inducere forskellige kapillærladninger.

Og de har brugt en 3D-printer til at lave byggeklodser på få millimeter store i de nødvendige former for at skabe kapillære multipoler. De har så observeret, hvordan de samles, når de flyder på vandet.

Teknikken er enkel. Efter at have designet og printet byggeklodserne placerer de dem på et trådnet, arrangeret tilfældigt, og sænker det derefter langsomt ned i en vandtank. De observerer derefter byggestenene, mens de flyder på overfladen og smelter sammen.

Resultaterne er interessante. De viser tydeligt, hvordan de specialkonstruerede byggeklodser samles i store former, der bevarer symmetrien i de enkelte byggesten. Faktisk, i et eksempel, samles 35 byggeklodser til en perfekt femkant. Dette arbejde åbner nye perspektiver inden for selvmontering, siger Vandewalle og co.

Og de siger, at en kombination af teknikken med magneter kunne tillade selvsamling af 3D-former.

Det er et potentielt vigtigt fremskridt for mesoskopisk samling. Og byggestenene kan gøres betydeligt mindre, da kapillærkræfter virker på skalaer ned til mikrometerområdet.

Vandewalle og co diskuterer ikke, hvordan de agter at bruge denne nye teknik, som giver Technology Review-læsere den perfekte undskyldning for at træde til med deres egne ideer. Forslag i kommentarfeltet nedenfor, tak.

Ref: arxiv.org/abs/1310.4847 : Tilpasning af selvmontering i mesoskala med 3D-print

skjule