Nature：3D打印1微米的細絲,，用簡單的機器為更強大的手機和 WiFi 鋪平道路

導讀：下一代手機和無線設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和更高的設備需要的頻率) 頻率范圍,，需要直徑約1微米的細絲,，但今天的工業(yè)加工技術無法加工那么小的纖維。

2022年10月27日,，南極熊獲悉,，來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的一組研究人員開發(fā)了一種簡單的機器，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。

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

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

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

△這種簡單的機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驗，研究人員發(fā)現(xiàn),，當他們將設備浸入水中并在通道中放置一個毫米大小的塑料浮子時,，水的表面張力會導致墻壁排斥浮子。如果浮子在通道的狹窄部分,，它會移動到較寬的部分,，在那里它可以盡可能遠離墻壁漂浮。

一旦進入通道的較寬部分,，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?shù)奈恢谩．斣O備從水中提起時,，排斥力會隨著通道形狀的變化而變化,。如果浮標開始時位于較寬的通道中，隨著水位下降,，它可能會發(fā)現(xiàn)自己處于狹窄的通道中,，需要向左或向右移動以找到更寬的位置。

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物體時,，靈光乍現(xiàn)的時刻到來了,，”。

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，纖維相互纏繞,。

Faaborg 補充說：“這是一個歡呼雀躍的時刻——在我們的第一次嘗試中——我們只用一塊塑料,、一個水箱和一個上下移動的舞臺就穿過了兩條纖維�,！�

然后,，該團隊添加了第三個帶有纖維的浮子，并設計了一系列通道以編織模式移動浮子,。他們成功地編織了合成材料凱夫拉纖維的微米級纖維,。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大小為 10 微米的膠體顆粒的機器——盡管這些機器要大一千倍,。

△利用毛細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起作用,，但我們的計算表明這是可能的,。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,，即使機器大到可以放在你的手中,。”

接下來,，該團隊的目標是設計可以同時操縱許多纖維的設備,，目標是制造高頻導體。他們還計劃設計其他用于微制造應用的機器,，例如用微球制造光學器件的建筑材料,。

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 應用數(shù)學和應用物理學教授兼教授SEAS的物理學,。它得到了國防高級研究計劃局 (DARPA) 的部分支持,，獲得了 FA8650-15-C-7543 資助；美國國家科學基金會通過哈佛大學材料研究科學與工程中心獲得 DMR-2011754 和ECCS-1541959 資助,；和海軍研究辦公室授予 N00014-17-1-3029,。