Nature：3D打印1微米的細(xì)絲，用簡單的機(jī)器為更強(qiáng)大的手機(jī)和 WiFi 鋪平道路

導(dǎo)讀：下一代手機(jī)和無線設(shè)備將需要新的天線來訪問越來越高的頻率范圍。要使天線在數(shù)十兆赫(5G和更高的設(shè)備需要的頻率) 頻率范圍，需要直徑約1微米的細(xì)絲，但今天的工業(yè)加工技術(shù)無法加工那么小的纖維。

2022年10月27日，南極熊獲悉，來自哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的一組研究人員開發(fā)了一種簡單的機(jī)器，它利用水的表面張力來抓取和操縱微觀物體，為納米制造創(chuàng)造了可能。

這項(xiàng)研究以題為“3D-printed machines that manipulate microscopic objects using capillary forces”的論文被發(fā)表在《Nature》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05234-7

該論文的高級(jí)作者、化學(xué)工程 Wagner 家族教授和 SEAS 物理學(xué)教授Vinothan Manoharan說：“我們的工作提供了一種潛在的廉價(jià)方法來制造微結(jié)構(gòu)和可能的納米結(jié)構(gòu)材料。與激光鑷子等其他顯微操作方法不同，我們的機(jī)器可以輕松制造。我們使用一箱水和一臺(tái) 3D 打印機(jī)，就像在許多公共圖書館中發(fā)現(xiàn)的那樣。”

這臺(tái)機(jī)器是一個(gè) 3D 打印的塑料矩形，大小與舊任天堂墨盒差不多。該設(shè)備的內(nèi)部雕刻有相交的通道。每個(gè)通道都有寬窄的部分，就像一條在某些地方擴(kuò)張而在其他地方變窄的河流。通道壁是親水的，這意味著它們會(huì)吸引水。

△這種簡單的機(jī)器利用水的表面張力來抓取和操縱微觀物體。來源：Manoharan Lab/Harvard SEAS

通過一系列模擬和實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們將設(shè)備浸入水中并在通道中放置一個(gè)毫米大小的塑料浮子時(shí)，水的表面張力會(huì)導(dǎo)致墻壁排斥浮子。如果浮子在通道的狹窄部分，它會(huì)移動(dòng)到較寬的部分，在那里它可以盡可能遠(yuǎn)離墻壁漂浮。

一旦進(jìn)入通道的較寬部分，浮子將被困在中心，由墻壁和浮子之間的排斥力保持在適當(dāng)?shù)奈恢�。�?dāng)設(shè)備從水中提起時(shí)，排斥力會(huì)隨著通道形狀的變化而變化。如果浮標(biāo)開始時(shí)位于較寬的通道中，隨著水位下降，它可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處于狹窄的通道中，需要向左或向右移動(dòng)以找到更寬的位置。

SEAS 的同事兼該論文的共同第一作者 Maya Faaborg 說：“當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)我們可以通過改變誘捕通道的橫截面來移動(dòng)物體時(shí)，靈光乍現(xiàn)的時(shí)刻到來了，”。

然后，研究人員將微觀纖維附著在漂浮物上。隨著水位的變化和浮子在通道內(nèi)向左或向右移動(dòng)，纖維相互纏繞。

Faaborg 補(bǔ)充說：“這是一個(gè)歡呼雀躍的時(shí)刻——在我們的第一次嘗試中——我們只用一塊塑料、一個(gè)水箱和一個(gè)上下移動(dòng)的舞臺(tái)就穿過了兩條纖維。”

然后，該團(tuán)隊(duì)添加了第三個(gè)帶有纖維的浮子，并設(shè)計(jì)了一系列通道以編織模式移動(dòng)浮子。他們成功地編織了合成材料凱夫拉纖維的微米級(jí)纖維。辮子就像傳統(tǒng)的三股發(fā)辮，只是每根纖維比一根人類頭發(fā)小 10 倍。

研究人員隨后表明，漂浮物本身可能是微觀的。他們制造了可以捕獲和移動(dòng)大小為 10 微米的膠體顆粒的機(jī)器——盡管這些機(jī)器要大一千倍。

△利用毛細(xì)管排斥力誘捕和操縱物體。

SEAS 的博士生、該論文的合著者 Ahmed Sherif 說：“我們不確定它是否會(huì)起作用，但我們的計(jì)算表明這是可能的。所以我們嘗試了它，它奏效了。表面張力的神奇之處在于，它產(chǎn)生的力足夠溫和，可以抓住微小的物體，即使機(jī)器大到可以放在你的手中�！�

接下來，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)可以同時(shí)操縱許多纖維的設(shè)備，目標(biāo)是制造高頻導(dǎo)體。他們還計(jì)劃設(shè)計(jì)其他用于微制造應(yīng)用的機(jī)器，例如用微球制造光學(xué)器件的建筑材料。

該研究由 Cheng Zeng、Ahmed Sherif、Martin J. Falk、Rozhin Hajian、Ming Xiao、Kara Hartig、Yohai Bar-Sinai 和 Michael Brenner 共同撰寫，Michael F. Cronin 應(yīng)用數(shù)學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授兼教授SEAS的物理學(xué)。它得到了國防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 的部分支持，獲得了 FA8650-15-C-7543 資助；美國國家科學(xué)基金會(huì)通過哈佛大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心獲得 DMR-2011754 和ECCS-1541959 資助；和海軍研究辦公室授予 N00014-17-1-3029。