26 اکتبر 2022 -نوشته لیا باروز -این ماشین ساده که از کشش سطحی آب برای گرفتن و دستکاری اشیاء میکروسکوپی استفاده می کند. اعتبار: آزمایشگاه منوهران/ هاروارد SEAS
نسل بعدی تلفن‌ها و دستگاه‌های بی‌سیم برای دسترسی به محدوده‌های فرکانس بالاتر به آنتن‌های جدید نیاز دارند. یکی از راه‌های ساخت آنتن‌هایی که در ده‌ها گیگاهرتز کار می‌کنند – فرکانس‌های مورد نیاز برای دستگاه‌های 5G و بالاتر – این است که رشته‌هایی به قطر حدود 1 میکرومتر را ببافید. اما تکنیک‌های ساخت صنعتی امروزی روی الیاف به این کوچکی کار نمی‌کنند.
اکنون تیمی از محققان از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان A. Paulson (SEAS) یک ماشین ساده ساخته اند که از کشش سطحی آب برای گرفتن و دستکاری اشیاء میکروسکوپی استفاده می کند و ابزار بالقوه قدرتمندی برای تولید نانوسکوپی ارائه می دهد.
این تحقیق در Nature منتشر شده است.
وینوتان منوهاران، پروفسور مهندسی شیمی و پروفسور فیزیک در SEAS و نویسنده ارشد مقاله، گفت: «کار ما یک راه بالقوه ارزان برای تولید مواد ریزساختار و احتمالاً نانوساختار ارائه می‌کند. برخلاف سایر روش‌های ریز دستکاری، مانند موچین‌های لیزری، ماشین‌های ما به راحتی ساخته می‌شوند. ما از یک مخزن آب و یک چاپگر سه بعدی استفاده می کنیم، مانند نمونه هایی که در بسیاری از کتابخانه های عمومی یافت می شود.
این دستگاه یک مستطیل پلاستیکی با چاپ سه بعدی است که به اندازه یک کارتریج قدیمی نینتندو است. فضای داخلی دستگاه با کانال هایی حک شده است که به هم می رسند. هر کانال دارای بخش های وسیع و باریکی است، مانند رودخانه ای که در برخی قسمت ها گسترش می یابد و در برخی دیگر باریک می شود. دیواره های کانال آبدوست هستند، به این معنی که آب را جذب می کنند.
محققان از طریق یک سری شبیه سازی و آزمایش دریافتند که وقتی دستگاه را در آب غوطه ور کردند و یک شناور پلاستیکی به اندازه میلی متری در کانال قرار دادند، کشش سطحی آب باعث شد که دیواره شناور را دفع کند. اگر شناور در قسمت باریکی از کانال قرار داشت، به قسمت وسیعی منتقل می‌شد، جایی که می‌توانست تا حد امکان از دیوارها شناور شود.
هنگامی که در بخش وسیعی از کانال قرار می گیرد، شناور در مرکز محبوس می شود و توسط نیروهای دافعه بین دیوارها و شناور در جای خود نگه داشته می شود. هنگامی که دستگاه از آب پر می شود، نیروهای دافعه با تغییر شکل کانال تغییر می کنند. اگر شناور برای شروع در یک کانال عریض بود، ممکن است با پایین آمدن سطح آب خود را در یک کانال باریک بیابد و برای یافتن یک نقطه عریض‌تر باید به سمت چپ یا راست حرکت کند.
مایا فابورگ، یکی از همکاران SEAS ، می‌گوید: «لحظه یورکا زمانی فرا رسید که متوجه شدیم می‌توانیم اجسام را با تغییر سطح مقطع کانال‌های به دام انداختن خود حرکت دهیم.سپس محققان الیاف میکروسکوپی را به شناورها متصل کردند. با تغییر سطح آب و حرکت شناورها به سمت چپ یا راست در کانال ها، الیاف به دور یکدیگر پیچ خوردند.
فابورگ می‌گوید: «لحظه‌ای پر از فریاد و شادی بود که – در اولین تلاش ما – دو فیبر را تنها با استفاده از یک تکه پلاستیک، یک مخزن آب و یک مرحله که بالا و پایین حرکت می‌کند به هم رد کردیم.
سپس گروه سومین شناور را با یک فیبر اضافه کردند و یک سری کانال برای حرکت شناورها در یک الگوی بافته طراحی کردند. آنها با موفقیت الیافی در مقیاس میکرومتری از ماده مصنوعی کولار را بافته کردند. این قیطان دقیقاً مانند یک قیطان موی سه تار سنتی بود، با این تفاوت که هر تار 10 برابر کوچکتر از یک تار موی انسان بود.
سپس محققان نشان دادند که خود شناورها می توانند میکروسکوپی باشند. آنها ماشین هایی ساختند که می توانستند ذرات کلوئیدی را به اندازه 10 میکرومتر به دام بیاندازند و حرکت دهند – حتی اگر ماشین ها هزار بار بزرگتر بودند.
احمد شریف، دانشجوی دکترا در SEAS و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «ما مطمئن نبودیم که کار کند، اما محاسبات ما نشان داد که ممکن است. بنابراین ما آن را امتحان کردیم و کار کرد. نکته شگفت‌انگیز در مورد کشش سطحی این است که نیروهایی تولید می‌کند که به اندازه کافی ملایم هستند تا اجسام کوچک را بگیرند، حتی با ماشینی به اندازه‌ای بزرگ که در دست شما قرار بگیرد.
در مرحله بعد، هدف این تیم طراحی دستگاه‌هایی است که می‌توانند به طور همزمان فیبرهای زیادی را دستکاری کنند، با هدف ساخت هادی‌های فرکانس بالا. آنها همچنین قصد دارند ماشین‌های دیگری را برای کاربردهای ریز تولید، مانند مصالح ساختمانی برای دستگاه‌های نوری از میکروکره‌ها، طراحی کنند.
