Nu de belangstelling voor en de vraag naar nanotechnologie blijft toenemen, net als de behoefte aan printen en spuiten op nanoschaal, die berust op het afzetten van kleine druppeltjes vloeistof op een oppervlak. Nu hebben onderzoekers van de Tsinghua University in Peking een nieuwe theorie ontwikkeld die beschrijft hoe zo'n druppeltje van nanoformaat vervormt en uiteenvalt wanneer het een oppervlak raakt.

Het model, besproken in hun publicatie die deze week verschijnt in Fysica van vloeistoffen , kan onderzoekers helpen de kwaliteit van printen en coaten op nanoschaal te verbeteren, belangrijk voor alles, van het printen en coaten van kleine apparaten en structuren tot 3D-printmachines en robots.

Als het gaat om het spuiten van coatings, bijvoorbeeld, hoe kleiner en sneller de druppels zijn wanneer ze het oppervlak raken, hoe beter de kwaliteit van de coating, zei Min Chen, een professor in de afdeling Engineering Mechanics aan de Tsinghua University. Echter, bij bepaalde botsingssnelheden, de druppeltjes zullen uiteenvallen en spatten, het bederven van de coating.

Dus om druk- en spuittechnieken te verbeteren, we moeten de omstandigheden beter begrijpen die ervoor zorgen dat druppeltjes vervormen wanneer ze een oppervlak raken, en hoe ze breken. Maar omdat experimenteren met druppeltjes van nanogrootte erg moeilijk is, onderzoekers vertrouwen vaak op computersimulaties.

Bu-Xuan Li en Xin-Hao Li, samen met Chen, gebruikte een techniek genaamd moleculaire dynamica simulatie, waarin ze elk molecuul simuleerden waaruit een druppel water bestaat. Elke druppel, bestaande uit ongeveer 12, 000 moleculen, is ongeveer 8,6 nanometer in diameter en raakt het oppervlak met snelheden van een paar honderd meter per seconde. De computer simuleert wat er gebeurt als de verzameling watermoleculen een plat oppervlak raakt.

"We hebben een analytisch model ontwikkeld om het vervormingsproces te beschrijven en een ander om het uiteenvallen te beschrijven, " zei Chen. Het vervormingsmodel verbetert het eerdere werk van het team, "maar het break-up-model is helemaal nieuw."

Het breakup-model combineert theorie met de resultaten van de simulaties, het verstrekken van een formule die onderzoekers kunnen gebruiken om te berekenen wanneer een druppel uiteenvalt. Volgens Chen, het model is klaar voor gebruik in toepassingen.

Een beperking is dat het model alleen is geverifieerd om te werken voor druppeltjes op nanoschaal, en niet voor grotere druppels. "De reden is dat de manier waarop een druppel uiteenvalt op macro- en nanoschaal anders is, ' zei Bu-Xuan Li.

Het model is ook alleen van toepassing op zogenaamde Newtoniaanse vloeistoffen zoals water. De onderzoekers werken nu aan de ontwikkeling van een model voor niet-Newtonse vloeistoffen, zoals ruwe olie of het kleverige mengsel van maizena en water, ook wel bekend als Oobleck. Bijvoorbeeld, er zou een niet-Newtons model nodig zijn voor het 3D-printen van polymeren en biomaterialen, zoals menselijk weefsel en organen.

Het model is ook toepasbaar om te beschrijven hoe waterdruppels botsen met vliegtuigen en ijs vormen, wat een veiligheidsrisico is. Deze waterdruppels, zwevend in de wolken, variëren meestal van 20 tot 50 micrometer - groter dan die in de simulaties. Nog altijd, Chen zei, hun model is nuttig omdat er niet veel bekend is over hoe die waterdruppels invallen op vliegtuigen.