In 1726 deelde Sir Isaac Newton voor het eerst het verhaal van hoe hij ooit onder een appelboom zat na te denken waarom het fruit rechtstreeks op de grond viel. De natuurkundige zei dat deze meditaties aan de stamzijde hem eerder ertoe brachten de zwaartekrachttheorie in 1687 te stellen. Sommigen overdreven het verhaal zelfs om te suggereren dat het idee hem letterlijk in de vorm van een appel op het hoofd trof.
We wachten echter niet vaak tot een appel uit een tak valt om hem te grijpen. In plaats daarvan plukken we het zelf - een gemakkelijke taak wanneer het object solide is.
Wanneer we met vloeistoffen omgaan en druppels proberen te produceren, zijn we nog steeds overgeleverd aan de zwaartekracht. Je hoeft alleen oogdruppels toe te dienen, met behulp van een pipet die wordt geleverd met een in de winkel gekocht flesje, eenmaal om te weten hoe moeilijk het is om de zwaartekrachten in je voordeel te benutten en precieze druppels volgens de dosering op je nieuwsgierige te geleiden- open oogbol.
De huidige machine die wordt gebruikt om vloeistoffen in pilcapsules te injecteren, wordt op dezelfde manier beperkt door de zwaartekracht, net als het mechanisme in een printer dat inkt op een stuk papier spuugt of zelfs sproeiers die de vloeibare ingrediënten afgeven om snoep te maken.
Als je echter de kracht kunt trotseren die ons allemaal geaard houdt, opent zich een heel rijk van mogelijkheden - vooral in het snel groeiende veld van additieve productie, waar technologie wordt gebruikt om driedimensionale objecten een dunne laag tegelijk te construeren. Onderzoekers van Harvard University melden vandaag in Science Advances dat ze een nieuwe techniek hebben ontwikkeld die geluidsgolven gebruikt om het afdrukken van druppels op aanvraag te regelen, ongeacht de viscositeit van de vloeistof.
Door de doelpositie te regelen, kunnen de uitgeworpen druppeltjes overal voorzichtig worden afgezet en van een patroon worden voorzien. In dit voorbeeld worden honingdruppels op een glazen substraat aangebracht. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Harvard University) Misschien niet anders dan Newton zelf, de hoofdauteur van het onderzoek, Daniele Foresti, een toegepast natuurkundige bij Harvard, werkte aan niet-gerelateerd onderzoek in zijn laboratorium, met behulp van akoestische levitatie om dingen zoals koffiekorrels, water en zelfs tandenstokers in de lucht op te schorten, toen het idee om toe te passen wat hij met afdrukken deed, trof hem. Hij was in staat om zijn visie op de proef te stellen toen hij een postdoctorale fellow werd in het laboratorium onder leiding van Jennifer Lewis, een materiaalwetenschapper bij Harvard en een co-auteur van de studie die gespecialiseerd is in 3D-printen.
Typische inkjetprinters maken afbeeldingen met behulp van kleine inktdruppeltjes, maar het type inkt dat wordt gebruikt moet passen in een zoete plek van viscositeit - ongeveer 10 keer viskeuzer dan water - om gemakkelijk genoeg te kunnen stromen om snel druppels te vormen en met de hulp naar beneden te druppelen van zwaartekracht. Maar wat als je meer controle wilt hebben over dikkere vloeistoffen, vroegen onderzoekers zich af. Soms worden biopolymeren op basis van suiker, zo plakkerig als honing - we praten 25.000 keer viskeuzer dan water - gebruikt bij het maken van biofarmaceutica.
Met dit doel voor ogen creëerde het team een tool genaamd de subWAVE, of subgolflengte acoustophoretic voxel ejector, wat een mooie wetenschappelijke naam is voor een klein apparaat met een cilindrische kamer waarin een super beperkt akoestisch veld een trekkracht creëert die 100 keer sterker is dan zwaartekracht aan het uiteinde van een klein printermondstuk.
Met behulp van de subWAVE creëerden de onderzoekers een druppelstapel van vloeibaar metaal. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Harvard University) Vloeistof daalt naar beneden door het mondstuk en wanneer het de punt bereikt, begint een druppel te groeien. Je kunt dit zien gebeuren als je je kraan zo maar een beetje aanzet en de druppels ziet groeien voordat je naar de bodem van de gootsteen duikt. Precies wanneer de druppel de gewenste grootte bereikt, worden gecontroleerde geluidsgolven toegediend die de kamer vullen met een zodanige intensiteit dat de druppel direct van de punt van de staaf wordt geplukt - net als "een appel van een boom", zegt Lewis - en veilig naar het materiaal wordt geleid hieronder waar het moet worden afgedrukt of geïnjecteerd.
"Het gebruik van akoestische straling om druppels uit een mondstuk te forceren is nieuw en erg cool", zegt Bruce Drinkwater, een ultrasone ingenieur aan de Universiteit van Bristol die niet betrokken was bij het onderzoek. “Wat dit betekent is dat wanneer de druppel tevoorschijn komt, deze regelbaar uit het mondstuk kan worden getrokken. Het is een beetje als een paar onzichtbare handen die de druppel vormen en vormen wanneer deze tevoorschijn komt. "
Bij het vertrouwen op gewone oude zwaartekracht om precieze druppeltjes naar exacte locaties te verplaatsen, bemoeilijkt de viscositeit of stroming van de vloeistof de taak. Maar als de zwaartekracht teniet wordt gedaan, doet viscositeit er niet zoveel toe. Het team was in staat om deze technologie te gebruiken om druppels van een breed scala aan vloeistoffen te "printen", van vloeibaar metaal tot hars dat werd gebruikt om kleine cameralenzen te maken tot stamcelvloeistof.
Het team bezaaid een Oreo met druppels honing. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Harvard University) Hoewel de onderzoekers geloven dat de technologie op verschillende gebieden kan worden gebruikt, is het vooral spannend voor de farmaceutische industrie en het zich ontwikkelende veld van biologische geneesmiddelen, waarbij patiënten gevoelig en zeer geconcentreerd celmateriaal moeten krijgen om ziekten te behandelen. Omdat geluid niet gemakkelijk vloeistoffen doordringt, kan het delicate celmateriaal veilig worden overgedragen met behulp van deze nieuwe techniek, zegt Lewis.
"Wat het een zeer belangrijk stuk werk maakt, is dat het min of meer onafhankelijk is van de vloeistof die wordt bedrukt, waardoor het scala aan materialen dat kan worden bedrukt wordt uitgebreid", zegt Drinkwater.
Ze drukten zelfs druppeltjes honing op een Oreo-koekje.
