Enkel maskin kan bane vei for kraftigere mobiltelefoner og WiFi

Neste generasjon telefoner og trådløse enheter vil trenge nye antenner for å få tilgang til høyere og høyere frekvensområder. En måte å lage antenner som fungerer ved titalls gigahertz – frekvensene som trengs for 5G og høyere enheter – er å flette filamenter med en diameter på omtrent 1 mikrometer. Men dagens industrielle produksjonsteknikker vil ikke fungere på så små fibre.

Nå har et team av forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utviklet en enkel maskin som bruker overflatespenningen til vann til å gripe og manipulere mikroskopiske objekter, og tilbyr et potensielt kraftig verktøy for nanoskopisk produksjon.

Forskningen er publisert i Natur.

“Vårt arbeid tilbyr en potensielt rimelig måte å produsere mikrostrukturerte og muligens nanostrukturerte materialer på,” sa Vinothan Manoharan, Wagner-familiens professor i kjemiteknikk og professor i fysikk ved SEAS og seniorforfatter av artikkelen. “I motsetning til andre mikromanipulasjonsmetoder, som laserpinsett, kan maskinene våre lages enkelt. Vi bruker en tank med vann og en 3D-printer, som de som finnes på mange offentlige biblioteker.”

Maskinen er et 3D-printet plastrektangel, omtrent på størrelse med en gammel Nintendo-kassett. Det indre av enheten er skåret ut med kanaler som krysser hverandre. Hver kanal har brede og smale deler, som en elv som utvider seg i noen deler og smalner inn i andre. Kanalveggene er hydrofile, noe som betyr at de tiltrekker seg vann.

Gjennom en serie simuleringer og eksperimenter fant forskerne at når de senket enheten ned i vann og plasserte en millimeterstor plastflottør i kanalen, fikk overflatespenningen til vannet til at veggen støte bort flottøren. Hvis flottøren var i en smal del av kanalen, flyttet den seg til en bred del, hvor den kunne flyte så langt unna veggene som mulig.

En gang i en bred del av kanalen, ville flottøren bli fanget i midten, holdt på plass av de frastøtende kreftene mellom veggene og flyten. Ettersom enheten ble løftet opp av vannet, ville frastøtende krefter endre seg ettersom formen på kanalen endret seg. Hvis flottøren var i en bred kanal for å starte, kunne den befinne seg i en trang kanal etter hvert som vannstanden falt, og måtte flyttes til venstre eller høyre for å finne et bredere sted.

“Eureka-øyeblikket kom da vi fant ut at vi kunne flytte gjenstandene ved å endre tverrsnittet av fangstkanalene våre,” sa Maya Faaborg, advokatfullmektig ved SEAS og medforfatter av avisen.

Forskerne festet deretter mikroskopiske fibre til flottørene. Etter hvert som vannstanden endret seg og flottørene beveget seg til venstre eller høyre innenfor kanalene, snodde fibrene seg rundt hverandre.

“Det var et rop-høyt-i-glede-øyeblikk da vi – på vårt første forsøk – krysset to fibre ved å bruke bare et stykke plast, en vann tank, og en scene som beveger seg opp og ned,” sa Faaborg.

Teamet la deretter til en tredje flottør med en fiber og designet en serie kanaler for å flytte flottørene i et flettemønster. De flettet fibre i mikrometerskala av det syntetiske materialet Kevlar. Fletten var akkurat som en tradisjonell tre-trådet hårfletting, bortsett fra at hver fiber var 10 ganger mindre enn et enkelt menneskehår.

Forskerne viste da at selve flottørene kunne være mikroskopiske. De laget maskiner som kunne fange og flytte kolloidale partikler med en størrelse på 10 mikrometer – selv om maskinene var tusen ganger større.

“Vi var ikke sikre på at det ville fungere, men våre beregninger viste at det var mulig,” sa Ahmed Sherif, en Ph.D. student ved SEAS og medforfatter av oppgaven. “Så vi prøvde det, og det fungerte. Det utrolige med overflatespenning er at det produserer krefter som er milde nok til å gripe små gjenstander, selv med en maskin som er stor nok til å passe i hånden.”

Deretter tar teamet sikte på å designe enheter som samtidig kan manipulere mange fibre, med mål om å lage høyfrekvente ledere. De planlegger også å designe andre maskiner for mikroproduksjonsapplikasjoner, for eksempel byggematerialer for optiske enheter fra mikrosfærer.

---

---