Einfaches 3D-gedrucktes Gerät könnte den Weg für weitaus leistungsstärkere Mobiltelefone und WLAN ebnen

Einfaches 3D-gedrucktes Gerät könnte den Weg für weitaus leistungsstärkere Mobiltelefone und WLAN ebnen

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Diese einfache Maschine, die die Oberflächenspannung von Wasser nutzt, um mikroskopisch kleine Objekte zu greifen und zu manipulieren. Bildnachweis: Manoharan Lab/Harvard SEAS

Ein 3D-gedrucktes Gerät in einem Wassertank verflochten Nanodrähte und bewegt Mikropartikel.

Für die nächste Generation von Telefonen und drahtlosen Geräten werden neue Antennen für den Zugriff auf immer höhere Frequenzbereiche benötigt. Eine Möglichkeit, Antennen herzustellen, die bei mehreren zehn Gigahertz arbeiten – den Frequenzen, die für 5G- und höhere Geräte benötigt werden – besteht darin, Filamente mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer zu flechten. Die heutigen industriellen Fertigungstechniken funktionieren jedoch nicht mit so kleinen Fasern.

„Es war ein freudiger Moment, als wir – bei unserem ersten Versuch – zwei Fasern mit nur einem Stück Plastik, einem Wassertank und einer sich auf und ab bewegenden Bühne überquerten.“ — Maja Faaborg

Jetzt hat ein Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) eine einfache Maschine entwickelt, die die Oberflächenspannung von Wasser nutzt, um mikroskopisch kleine Objekte zu greifen und zu manipulieren. Diese bemerkenswerte Innovation bietet ein potenziell leistungsfähiges Werkzeug für die nanoskopische Fertigung.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur am 26. Oktober.

„Unsere Arbeit bietet eine potenziell kostengünstige Möglichkeit, mikrostrukturierte und möglicherweise nanostrukturierte Materialien herzustellen“, sagte Vinothan Manoharan, Professor für Chemieingenieurwesen der Familie Wagner und Professor für Physik am SEAS und leitender Autor der Veröffentlichung. „Im Gegensatz zu anderen Mikromanipulationsmethoden wie Laserpinzetten sind unsere Maschinen einfach herzustellen. Wir verwenden einen Wassertank und einen 3D-Drucker, wie man ihn in vielen öffentlichen Bibliotheken findet.“

Die Maschine ist ein 3D-gedrucktes Kunststoffrechteck, das etwa die Größe einer alten Nintendo-Kassette hat. Das Innere des Geräts ist mit sich kreuzenden Kanälen geschnitzt. Jeder Kanal hat breite und schmale Abschnitte, ähnlich einem Fluss, der sich in einigen Teilen ausdehnt und in anderen verengt. Die Kanalwände sind hydrophil, was bedeutet, dass sie Wasser anziehen.

Durch eine Reihe von Simulationen und Experimenten entdeckten die Wissenschaftler, dass, wenn sie das Gerät in Wasser tauchten und einen millimetergroßen Kunststoffschwimmer in den Kanal legten, die Oberflächenspannung des Wassers dazu führte, dass die Wand den Schwimmer abstieß. Wenn sich der Schwimmer in einem schmalen Abschnitt des Kanals befand, bewegte er sich zu einem breiten Abschnitt, wo er so weit wie möglich von den Wänden entfernt schwimmen konnte.

Sobald sich der Schwimmer in einem breiten Abschnitt des Kanals befindet, würde er in der Mitte gefangen sein und durch die Abstoßungskräfte zwischen den Wänden und dem Schwimmer an Ort und Stelle gehalten werden. Wenn die Vorrichtung aus dem Wasser gehoben wird, ändern sich die Abstoßungskräfte, wenn sich die Form des Kanals ändert. Wenn sich der Schwimmer zu Beginn in einer breiten Rinne befand, findet er sich möglicherweise in einer schmalen Rinne wieder, wenn der Wasserstand sinkt, und muss nach links oder rechts bewegt werden, um eine breitere Stelle zu finden.

„Der Aha-Moment kam, als wir feststellten, dass wir die Objekte bewegen konnten, indem wir den Querschnitt unserer Einfangkanäle veränderten“, sagte Maya Faaborg, Mitarbeiterin bei SEAS und Co-Erstautorin des Artikels.

„Das Erstaunliche an der Oberflächenspannung ist, dass sie Kräfte erzeugt, die sanft genug sind, um winzige Objekte zu greifen, selbst mit einer Maschine, die groß genug ist, um in Ihre Hand zu passen.“ — Ahmad Scherif

Als nächstes befestigten die Forscher mikroskopisch kleine Fasern an den Schwimmern. Wenn sich der Wasserstand änderte und sich die Schwimmer in den Kanälen nach links oder rechts bewegten, verdrehten sich die Fasern umeinander.

„Es war ein freudiger Moment, als wir – bei unserem ersten Versuch – zwei Fasern mit nur einem Stück Plastik, einem Wassertank und einer sich auf und ab bewegenden Bühne überquerten“, sagte Faaborg.

Das Team fügte dann einen dritten Schwimmer mit einer Faser hinzu und entwarf eine Reihe von Kanälen, um die Schwimmer in einem Flechtmuster zu bewegen. Sie flochten erfolgreich mikrometergroße Fasern aus dem Kunststoff Kevlar. Das Geflecht war genau wie ein traditionelles dreisträngiges Haargeflecht, außer dass jede Faser 10-mal kleiner war als ein einzelnes menschliches Haar.

Als nächstes demonstrierten die Ermittler, dass die Schwimmer selbst mikroskopisch klein sein könnten. Sie bauten Maschinen, die kolloidale Partikel mit einer Größe von 10 Mikrometern einfangen und bewegen konnten – obwohl die Maschinen tausendmal größer waren.

„Wir waren nicht sicher, ob es funktionieren würde, aber unsere Berechnungen zeigten, dass es möglich ist“, sagte Ahmed Sherif, ein Doktorand bei SEAS und Mitautor der Abhandlung. „Also haben wir es versucht, und es hat funktioniert. Das Erstaunliche an der Oberflächenspannung ist, dass sie Kräfte erzeugt, die sanft genug sind, um winzige Objekte zu greifen, selbst mit einer Maschine, die groß genug ist, um in Ihre Hand zu passen.“

Als nächstes will das Team Geräte entwickeln, die viele Fasern gleichzeitig manipulieren können, mit dem Ziel, Hochfrequenzleiter herzustellen. Sie planen auch, andere Maschinen für Mikrofertigungsanwendungen zu konstruieren, beispielsweise Baumaterialien für optische Geräte aus Mikrokugeln.

Referenz: „3D-gedruckte Maschinen, die mikroskopische Objekte mithilfe von Kapillarkräften manipulieren“ von Cheng Zeng, Maya Winters Faaborg, Ahmed Sherif, Martin J. Falk, Rozhin Hajian, Ming Xiao, Kara Hartig, Yohai Bar-Sinai, Michael P. Brenner und Vinothan N. Manoharan, 26. Oktober 2022, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05234-7

Die Forschung wurde von Cheng Zeng, Ahmed Sherif, Martin J. Falk, Rozhin Hajian, Ming Xiao, Kara Hartig, Yohai Bar-Sinai und Michael Brenner, dem Michael F. Cronin-Professor für Angewandte Mathematik und Angewandte Physik und Professor für Physik bei SEAS. Es wurde teilweise von der Defense Advanced Research Projects Agency ([{” attribute=””>DARPA), under grant FA8650-15-C-7543; the National Science Foundation through the Harvard University Materials Research Science and Engineering Center, under grant DMR-2011754 and ECCS-1541959; and the Office of Naval Research under grant N00014-17-1-3029.

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