Former med 'kapillärladdningar' självmonterad på ytan av vätskor

När en vätska kommer i kontakt med ett fast ämne deformeras vätskeytan på grund av krafter mellan de olika inblandade molekylerna. Dessa så kallade kapillärkrafter kan lyfta vätskan vid gränsytan eller trycka ner den. Mycket beror på de inblandade intramolekylära krafterna men formen på det fasta ämnet spelar också en roll.

Dessa krafter leder till viktiga och välbekanta fenomen. Processen för uppsugning är en, där en vätska dras upp i ett smalt rör mot gravitationen. Detta är en av de viktigaste processerna genom vilka träd och växter drar vatten ur marken.

Men det finns också mindre kända applikationer. En idé är att använda kapillärkrafter för att få flytande partiklar att självmontera till större, mer komplexa former.

Idag har Nicolas Vandewalle och kompisar vid Université of Liège i Belgien utvecklat ett helt nytt sätt att manipulera kapillärkrafter för självmonterande strukturer. Tricket dessa killar har fulländat är att skapa både attraktiva och frånstötande krafter genom att noggrant kontrollera formen på partiklarna de vill montera. Vår metod är baserad på skapandet av kapillära multipoler som inducerar antingen attraktionskrafter eller frånstötande krafter, säger de.

Ett sätt att skapa både attraktiva och frånstötande krafter är att täcka byggstenarna med hydrofoba eller hydrofila beläggningar. Detta skapar olika kapillära 'laddningar'. Och eftersom motsatta laddningar attraherar medan liknande laddningar stöter bort, kan detta utnyttjas vid självmontering.

Men det är en tidskrävande verksamhet, särskilt när olika delar av samma byggsten måste vara attraktiva och frånstötande och kräver olika beläggningar.

Mycket enklare skulle vara ett sätt att tillverka byggstenarna i ett enda steg med de erforderliga kapillärladdningarna. Och det är precis vad Vandewalle och co har gjort.

Dessa killar visar hur böjning av byggstenarna, så att de inte längre är platta i förhållande till vätskeytan, kan inducera olika kapillärladdningar.

Och de har använt en 3D-skrivare för att göra byggstenar som är några millimeter stora i de nödvändiga formerna för att skapa kapillära multipoler. De har sedan observerat hur de sätts ihop när de flyter på vatten.

Tekniken är enkel. Efter att ha designat och tryckt byggstenarna, placerar de dem på ett slumpmässigt arrangerat trådnät och sänker sedan långsamt ner det i en vattentank. De observerar sedan byggstenarna när de flyter på ytan och smälter samman.

Resultaten är intressanta. De visar tydligt hur de specialkonstruerade byggstenarna sätts samman till storskaliga former som bevarar symmetrin hos de enskilda byggstenarna. I ett exempel samlas 35 byggstenar till en perfekt femhörning. Detta arbete öppnar nya perspektiv inom självmontering, säger Vandewalle och co.

Och de säger att en kombination av tekniken med magneter kan möjliggöra självmontering av 3D-former.

Det är ett potentiellt viktigt framsteg för mesoskopisk montering. Och byggstenarna kan göras betydligt mindre, eftersom kapillärkrafter verkar på skalor ner till mikrometerområdet.

Vandewalle och co diskuterar inte hur de tänker använda denna nya teknik, som ger Technology Review-läsare den perfekta ursäkten att gå in med några egna idéer. Förslag i kommentarsfältet nedan, tack.

Ref: arxiv.org/abs/1310.4847 : Anpassa mesoskala självmontering med 3D-utskrift

Dölj