211service.com
Vormen met 'capillaire ladingen' assembleren zelf op het oppervlak van vloeistoffen
Wanneer een vloeistof in contact komt met een vaste stof, vervormt het vloeistofoppervlak door krachten tussen de verschillende betrokken moleculen. Deze zogenaamde capillaire krachten kunnen de vloeistof op het grensvlak optillen of indrukken. Veel hangt af van de betrokken intramoleculaire krachten, maar ook de vorm van de vaste stof speelt een rol.
Deze krachten leiden tot belangrijke en bekende verschijnselen. Het proces van wicking is er een, waarbij een vloeistof tegen de zwaartekracht in door een smalle buis wordt opgezogen. Dit is een van de belangrijkste processen waarbij bomen en planten water uit de grond halen.
Maar er zijn ook minder bekende toepassingen. Een idee is om capillaire krachten te gebruiken om zwevende deeltjes zichzelf te laten assembleren tot grotere, complexere vormen.
Vandaag hebben Nicolas Vandewalle en zijn vrienden van de Université van Luik in België een geheel nieuwe manier ontwikkeld om capillaire krachten te manipuleren voor zelfassemblerende structuren. De truc die deze jongens hebben geperfectioneerd, is om zowel aantrekkende als afstotende krachten te creëren door de vorm van de deeltjes die ze willen samenstellen zorgvuldig te controleren. Onze methode is gebaseerd op het creëren van capillaire multipolen die ofwel aantrekkende ofwel afstotende krachten induceren, zeggen ze.
Een manier om zowel aantrekkende als afstotende krachten te creëren, is door de bouwstenen te bedekken met hydrofobe of hydrofiele coatings. Hierdoor ontstaan verschillende capillaire ‘ladingen’. En aangezien tegengestelde ladingen elkaar aantrekken terwijl soortgelijke ladingen afstoten, kan dit worden uitgebuit tijdens zelfassemblage.
Maar dat is een tijdrovende bezigheid, vooral wanneer verschillende delen van dezelfde bouwsteen aantrekkelijk en weerzinwekkend moeten zijn en verschillende coatings vereisen.
Veel gemakkelijker zou een manier zijn om de bouwstenen in één stap te vervaardigen met de vereiste capillaire ladingen. En dat is precies wat Vandewalle en co hebben gedaan.
Deze kerels laten zien hoe het buigen van de bouwstenen, zodat ze niet meer vlak zijn ten opzichte van het vloeistofoppervlak, verschillende capillaire ladingen kan veroorzaken.
En ze hebben een 3D-printer gebruikt om bouwstenen van een paar millimeter groot te maken in de benodigde vormen om capillaire multipolen te maken. Vervolgens hebben ze waargenomen hoe ze zich verzamelen wanneer ze op water drijven.
De techniek is eenvoudig. Nadat ze de bouwstenen hebben ontworpen en afgedrukt, plaatsen ze ze op een gaas, willekeurig gerangschikt, en laten ze het langzaam in een watertank zakken. Vervolgens observeren ze de bouwstenen terwijl ze op het oppervlak drijven en samenvloeien.
De resultaten zijn interessant. Ze laten duidelijk zien hoe de speciaal ontworpen bouwstenen samenkomen tot grootschalige vormen die de symmetrie van de afzonderlijke bouwstenen behouden. In één voorbeeld vormen 35 bouwstenen inderdaad een perfecte vijfhoek. Dit werk opent nieuwe perspectieven in zelfassemblage, zeggen Vandewalle en co.
En ze zeggen dat het combineren van de techniek met magneten de zelfassemblage van 3D-vormen mogelijk zou maken.
Dat is een potentieel belangrijke vooruitgang voor mesoscopische assemblage. En de bouwstenen kunnen aanzienlijk kleiner worden gemaakt, omdat capillaire krachten tot op de micrometer inwerken.
Vandewalle en co bespreken niet hoe ze deze nieuwe techniek willen gebruiken, wat de lezers van Technology Review het perfecte excuus geeft om met eigen ideeën aan de slag te gaan. Suggesties in de comments hieronder, alstublieft.
Referentie: arxiv.org/abs/1310.4847 : Mesoscale zelfassemblage aanpassen met 3D-printen