Als je de bovenkant op huisverf laat vallen, worden mensen meestal aangetrokken om in het blik te kijken. Maar Princeton-onderzoekers hebben hun blik naar boven gericht, aan de onderkant van het deksel, waar blijkt dat het patroon van druppeltjes nieuwe manieren kan inspireren om microscopisch kleine structuren te maken.

De truc zit hem in het beheersen van de druppels, die zich vormen onder concurrerende invloeden zoals zwaartekracht en oppervlaktespanning. Een nieuwe studie, 26 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , legt uit hoe een dieper begrip van deze zeer dynamische, soms kunnen onstabiele krachten worden gebruikt om goedkoop en snel objecten te fabriceren die normaal gesproken een duurder en tijdrovender proces vereisen.

"We hebben de mallen weggedaan, " zei Pierre-Thomas Brun, assistent-professor chemische en biologische technologie aan Princeton en de hoofdonderzoeker van de studie. "We hebben geen schone kamer of luxe apparatuur nodig, dus ingenieurs hebben veel meer vrijheid in het ontwerpproces."

Het gebruik van een siliconen die veel voorkomt in medische apparaten, het team goot een dunne vloeibare film over het oppervlak van een plaat, ongeveer zo groot als een compact disc, die ze vervolgens gedurende enkele minuten ondersteboven draaiden terwijl de film uithardde. Zonder tussenkomst, de vloeibare siliconen stollen in een onregelmatige reeks druppeltjes - net als de verf onder een deksel. Maar door de plaat met wiskundige precisie te etsen, lasers gebruiken om de markeringen te snijden, de onderzoekers "zaaiden" de druppels in een rooster van perfecte zeshoeken, elk met een uniforme afmeting.

"De zwaartekracht wil de vloeistof naar beneden trekken, " zei Joël Marthelot, postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij Princeton en hoofdauteur van het papier. "Capillaire krachten willen dat het oppervlak minimaal vervormt. Er is dus concurrentie tussen deze twee krachten, die aanleiding geeft tot de lengteschaal van de constructie."

Meer geavanceerde versies van het experiment gebruikten een centrifuge in plaats van zwaartekracht, waardoor het team de grootte van de druppels met een onbepaald bereik kon variëren. In plaats van borden, in deze versie gebruikten ze plastic cilinders die eruitzien als doorzichtige hockeypucks. De overtollige vloeistof spinde weg en liet hun voorspelbare patroon van uitgeharde druppels achter. De techniek werkte tot aan de limiet van hun machines, die een rooster van structuren produceerde die elk ongeveer 10 micron waren, een fractie van de breedte van een mensenhaar. de structuren, dat zijn prototypes, simuleren de soorten zachte lenzen die gebruikelijk zijn in smartphones.

"Hoe sneller het draait, hoe kleiner de druppels, ’ zei Marthelot, opmerkend dat ze structuren nog kleiner konden maken dan wat ze tot nu toe hadden bereikt. "We kennen de limiet van onze techniek niet echt. Alleen de limiet van onze centrifuge."

Volgens Brun, ingenieurs beschouwen de soorten mechanische instabiliteiten die dit gedrag veroorzaken meestal als een soort aartsvijand. Het zijn de fysieke drempels die gewichtsbelastingen of warmtecapaciteiten bepalen. "In dit geval, " hij zei, "We hebben geprofiteerd van iets dat normaal als slecht wordt beschouwd. We hebben het getemd en functioneel gemaakt door er een pad naar fabricage van te maken."

De techniek kan eenvoudig worden uitgebreid tot grootschalige productie, aldus de onderzoekers. Naarmate hun methoden evolueren, ze zijn van plan om biomimetische apparaten te maken, als een opblaasbare samengestelde lens die het oog van een insect nabootst, of zachte robots die kunnen worden gebruikt in medische technologieën.

"Je kunt je een breed scala aan potentiële toekomstige toepassingen voorstellen, " zei Jörn Dunkel, universitair hoofddocent wiskunde aan het Massachusetts Institute of Technology, "van weerstandverminderende of superhydrofobe oppervlakken tot microlenzen en kunstmatige ciliaire tapijten."