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Formen mit 'Kapillarladungen' ordnen sich selbst auf der Oberfläche von Flüssigkeiten an
Wenn eine Flüssigkeit mit einem Festkörper in Kontakt kommt, verformt sich die Flüssigkeitsoberfläche aufgrund von Kräften zwischen den verschiedenen beteiligten Molekülen. Diese sogenannten Kapillarkräfte können die Flüssigkeit an der Grenzfläche anheben oder niederdrücken. Vieles hängt von den beteiligten intramolekularen Kräften ab, aber auch die Form des Festkörpers spielt eine Rolle.
Diese Kräfte führen zu wichtigen und bekannten Phänomenen. Beim Dochtverfahren wird eine Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft durch ein enges Rohr aufgezogen. Dies ist einer der Hauptprozesse, bei denen Bäume und Pflanzen Wasser aus dem Boden ziehen.
Aber es gibt auch weniger bekannte Anwendungen. Eine Idee besteht darin, Kapillarkräfte zu verwenden, um schwebende Partikel zu größeren, komplexeren Formen selbstanordnen zu lassen.
Heute haben Nicolas Vandewalle und seine Freunde von der Universität Lüttich in Belgien einen völlig neuen Weg entwickelt, Kapillarkräfte für selbstorganisierende Strukturen zu manipulieren. Der Trick, den diese Jungs perfektioniert haben, besteht darin, sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte zu erzeugen, indem sie die Form der Partikel, die sie zusammenbauen möchten, sorgfältig kontrollieren. Unsere Methode basiert auf der Erzeugung von kapillaren Multipolen, die entweder anziehende oder abstoßende Kräfte induzieren, sagen sie.
Eine Möglichkeit, sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte zu erzeugen, besteht darin, die Bausteine mit hydrophoben oder hydrophilen Beschichtungen zu beschichten. Dadurch entstehen unterschiedliche kapillare „Ladungen“. Und da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, während sich ähnliche Ladungen abstoßen, kann dies bei der Selbstorganisation ausgenutzt werden.
Dies ist jedoch eine zeitaufwändige Angelegenheit, insbesondere wenn verschiedene Teile desselben Bausteins attraktiv und abstoßend sein müssen und unterschiedliche Beschichtungen erfordern.
Viel einfacher wäre es, die Bausteine in einem Schritt mit den erforderlichen Kapillarladungen herzustellen. Und genau das haben Vandewalle und Co. getan.
Diese Jungs zeigen, wie das Biegen der Bausteine, sodass sie relativ zur Flüssigkeitsoberfläche nicht mehr flach sind, unterschiedliche Kapillarladungen induzieren kann.
Und sie haben mit einem 3D-Drucker einige Millimeter große Bausteine in den notwendigen Formen hergestellt, um kapillare Multipole zu erzeugen. Sie haben dann beobachtet, wie sie sich zusammensetzen, wenn sie auf dem Wasser treiben.
Die Technik ist einfach. Nachdem sie die Bausteine entworfen und gedruckt haben, legen sie sie auf ein zufällig angeordnetes Drahtgeflecht und senken es dann langsam in einen Wassertank. Anschließend beobachten sie, wie die Bausteine an der Oberfläche schweben und verschmelzen.
Die Ergebnisse sind interessant. Sie zeigen deutlich, wie sich die speziell entwickelten Bausteine zu großformatigen Formen zusammenfügen, die die Symmetrie der einzelnen Bausteine erhalten. Tatsächlich fügen sich in einem Beispiel 35 Bausteine zu einem perfekten Fünfeck zusammen. Diese Arbeit eröffnet neue Perspektiven in der Selbstmontage, sagen Vandewalle und Co.
Und sie sagen, dass die Kombination der Technik mit Magneten die Selbstmontage von 3D-Formen ermöglichen könnte.
Dies ist ein potenziell wichtiger Fortschritt für die mesoskopische Montage. Und die Bausteine lassen sich erheblich verkleinern, da Kapillarkräfte bis in den Mikrometerbereich wirken.
Vandewalle und Co. diskutieren nicht, wie sie diese neue Technik einsetzen wollen, was den Lesern der Technology Review die perfekte Ausrede bietet, um mit eigenen Ideen einzusteigen. Vorschläge bitte in den Kommentaren unten.
Ref: arxiv.org/abs/1310.4847 : Anpassen der Mesoskalen-Selbstmontage mit 3D-Druck