Onderzoekers van het Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, hebben een goedkope, drop-on-demand printtechniek waarmee een breed scala aan druppelgroottes kan worden gegenereerd met behulp van een verscheidenheid aan inkten. Naast traditioneel printen, het kan mogelijk ook nuttig zijn voor het 3D-printen van levende cellen, keramische materialen, elektronische schakelingen en machinecomponenten.

Printers die momenteel worden gebruikt, van inkjetprinters tot bioprinters die levende cellen afgeven, hebben een mondstuk met een kleine opening om druppels uit te werpen. Echter, deeltjes in de inkt of een celsuspensie kunnen de opening verstoppen, wat de hoeveelheid deeltjes of cellen beperkt die in eerste instantie kunnen worden geladen. Bijgevolg, ook de dikte van de laag die bedrukt kan worden is beperkt.

De nieuwe techniek vervangt het mondstuk door een gaas dat bedekt is met chemisch behandelde nanodraden die water afstoten. Wanneer een grote druppel op dit gaas inslaat, het stuitert terug. Echter, een klein deel van de vloeistof wordt door de gaasporie uitgestoten als een straal die breekt om een ​​druppel op microschaal te creëren, die vervolgens op een oppervlak wordt afgedrukt.

Vanwege de korte contacttijd van de inslaande druppel met het gaas (ongeveer 10 ms), de deeltjes in de inkt krijgen geen kans om de gaasporie te verstoppen, zeggen de onderzoekers. Hierdoor konden ze de inkt laden met grotere hoeveelheden nanodeeltjes, waardoor het afdrukken van zeer dikke lijnen in één cyclus mogelijk is. Het gaas kan ook gemakkelijk worden gereinigd en opnieuw worden gebruikt.

"Het gaas kost slechts een klein deel van de spuitmondjes die het vervangt. Dit verlaagt de operationele kosten aanzienlijk in vergelijking met conventionele druktechnieken, " zegt Prosenjit Sen, Universitair hoofddocent in CeNSE en senior auteur van de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Sen en zijn lab hebben gewerkt aan de ontwikkeling van nanogestructureerde oppervlakken die water kunnen afstoten. Wanneer grote druppels dergelijke nanogestructureerde mazen met hoge snelheden raken, straaljagers worden uitgeworpen. Tijdens het bestuderen van dit fenomeen, de onderzoekers ontdekten dat de snelheid van de uitgeworpen straal verrassend hoger was dan de snelheid van de inslaande druppel.

"Dit was de eerste hint dat een of ander mechanisme een rol speelde bij het focussen van de kinetische energie, " zegt Chandantaru Dey Modak, eerste auteur en Ph.D. student aan CeNSE. "Op dit punt, we begonnen de volgende vragen te stellen:Wat is dit focusmechanisme? Kan dit mechanisme worden benut om op betrouwbare wijze enkele druppeltjes op microschaal te genereren?"

Het team maakte high-speed video's (50, 000 tot 80, 000 frames per seconde) van deze impactdruppels, en ontdekte dat er een luchtholte werd gevormd in het midden van de druppel. Tijdens de terugslagfase van de impact, deze holte stortte in, het concentreren van alle kinetische energie in een enkel punt, resulterend in de vorming van individuele druppeltjes. Er werden geen "satelliet"-druppeltjes - secundaire druppels die resulteren in ongewenste verstrooiing - gegenereerd. De grootte van de uitgeworpen druppels kan ook worden aangepast door de poriegrootte van het gaas aan te passen.

De onderzoekers konden het gebruik van deze techniek voor verschillende toepassingen demonstreren. "Met behulp van drop-impact printen, we konden 3D-pilaren van verschillende grootten afdrukken, een elektronische schakeling voor toepassingen in halfgeleiderapparaten, en biogebaseerde druppelreeksen voor celcultuur, ", zegt Modak. "De mogelijkheid om een ​​breed scala aan druppelgroottes te printen terwijl verschillende soorten inkt voor verschillende toepassingen worden gebruikt, maakt deze techniek uniek."