Es war im Jahr 1726, als Sir Isaac Newton zum ersten Mal erzählte, wie er einst unter einem Apfelbaum saß und darüber nachdachte, warum die Früchte direkt auf den Boden fielen. Der Physiker sagte, dass diese kofferraumseitigen Meditationen ihn früher dazu veranlassten, die Gravitationstheorie im Jahre 1687 aufzustellen. Einige übertrafen die Geschichte sogar, um zu suggerieren, dass ihm die Idee buchstäblich in Form eines Apfels auf den Kopf traf.
Wir warten jedoch nicht oft darauf, dass ein Apfel von einem Ast fällt, um ihn zu fassen. Wir pflücken es stattdessen selbst - eine leichte Aufgabe, wenn das Objekt fest ist.
Beim Umgang mit Flüssigkeiten und beim Versuch, Tröpfchen zu produzieren, sind wir immer noch der Schwerkraft ausgeliefert. Sie müssen Augentropfen mit einer Pipette, die mit einer im Laden gekauften Durchstechflasche geliefert wird, nur einmal selbst verabreichen, um zu wissen, wie schwierig es ist, die Schwerkraft zu Ihren Gunsten zu nutzen und präzise Tröpfchen entsprechend der Dosierung auf Ihre Probe zu leiten. offener Augapfel.
Die derzeitige Maschinerie, die zum Injizieren von Flüssigkeiten in Tablettenkapseln verwendet wird, ist ebenso durch die Schwerkraft begrenzt wie der Mechanismus in einem Drucker, der Tinte auf ein Stück Papier oder sogar Düsen spuckt, die die verflüssigten Zutaten zur Herstellung von Süßigkeiten abgeben.
Wenn man sich jedoch der Kraft widersetzen kann, die uns alle auf dem Boden hält, eröffnet sich ein ganzes Reich der Möglichkeiten - insbesondere im aufkeimenden Bereich der additiven Fertigung, in dem mithilfe der Technologie dreidimensionale Objekte nacheinander hergestellt werden. Forscher der Harvard University berichten heute in Science Advances, dass sie eine neue Technik entwickelt haben, die Schallwellen verwendet, um das Drucken von Tröpfchen bei Bedarf unabhängig von der Viskosität der Flüssigkeit zu steuern.
Durch die Steuerung der Zielposition können die ausgestoßenen Tröpfchen überall sorgfältig abgelegt und gemustert werden. In diesem Beispiel werden Honigtropfen auf einem Glassubstrat gemustert. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Universität Harvard) Der Hauptautor der Studie, Daniele Foresti, ein angewandter Physiker in Harvard, arbeitete, ähnlich wie Newton, in seinem Labor an verwandten Forschungsarbeiten und verwendete akustische Levitation, um Dinge wie Kaffeegranulat, Wasser und sogar Zahnstocher in der Luft zu suspendieren, wenn die Idee bestand, sie anzuwenden Was er mit Drucken anstellte, traf ihn. Er konnte seine Vision auf die Probe stellen, als er als Postdoktorand im Labor von Jennifer Lewis, einer Materialwissenschaftlerin in Harvard und Co-Autorin der auf 3D-Druck spezialisierten Studie, tätig wurde.
Typische Tintenstrahldrucker erzeugen Bilder mit winzigen Tintentröpfchen. Der verwendete Tintentyp muss jedoch in einen Sweet-Spot mit einer Viskosität passen, die etwa zehnmal höher ist als die von Wasser, damit er leicht genug fließt, um schnell Tröpfchen zu bilden und mithilfe dieser Funktion nach unten zu tropfen der Schwerkraft. Was aber, wenn Sie mehr Kontrolle über dickere Flüssigkeiten haben möchten ?, fragten sich die Forscher. Manchmal werden bei der Herstellung von Biopharmazeutika Biopolymere auf Zuckerbasis verwendet, die so klebrig wie Honig sind - wir sprechen von 25.000-mal viskoser als Wasser.
Zu diesem Zweck hat das Team ein Werkzeug namens subWAVE (akustophoretischer Subwellenlängen-Voxel-Ejektor) entwickelt. Dies ist ein ausgefallener wissenschaftlicher Name für ein winziges Gerät mit einer zylindrischen Kammer, bei dem ein überbeschränktes akustisches Feld eine Zugkraft erzeugt, die 100-mal stärker ist als Schwerkraft an der Spitze einer kleinen Druckerdüse.
Mit dem subWAVE erstellten die Forscher einen Flüssigmetall-Drop-Pile. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Universität Harvard) Flüssigkeit läuft die Düse hinunter und als sie die Spitze erreicht, beginnt ein Tropfen zu wachsen. Sie können dies beobachten, wenn Sie den Wasserhahn ganz leicht aufdrehen und beobachten, wie die Tropfen wachsen, bevor Sie auf den Boden des Spülbeckens fallen. Sobald das Tröpfchen die gewünschte Größe erreicht hat, werden kontrollierte Schallwellen abgegeben, die die Kammer mit einer solchen Intensität füllen, dass das Tröpfchen direkt von der Spitze des Stabes abgezupft wird - genau wie „ein Apfel von einem Baum“, sagt Lewis - und sicher zum Material geleitet wird darunter, wo es gedruckt oder injiziert werden muss.
"Die Verwendung von Schallstrahlung, um Tropfen aus einer Düse zu drücken, ist neu und sehr cool", sagt Bruce Drinkwater, ein Ultraschallingenieur an der Universität Bristol, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Das bedeutet, dass der Tropfen beim Austreten kontrolliert aus der Düse gezogen werden kann. Es ist wie mit einem Paar unsichtbarer Hände, die den Tropfen formen und formen, wenn er auftaucht. “
Wenn man sich auf die normale Schwerkraft verlässt, um präzise Tröpfchen zu genauen Orten zu bewegen, erschwert die Viskosität oder der Fluss der Flüssigkeit die Aufgabe. Aber wenn die Schwerkraft negiert wird, ist die Viskosität nicht so wichtig. Das Team konnte diese Technologie nutzen, um Tropfen einer Vielzahl von Flüssigkeiten zu „drucken“, von flüssigem Metall bis hin zu Harz, aus dem winzige Kameralinsen zu Stammzellflüssigkeit verarbeitet werden.
Das Team bedeckte einen Oreo mit Honigtropfen. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Universität Harvard) Während die Forscher glauben, dass die Technologie in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden kann, ist sie für die Pharmaindustrie und das sich entwickelnde Gebiet der Biologika besonders aufregend, bei denen Patienten empfindliches und hoch konzentriertes Zellmaterial zur Behandlung von Krankheiten zur Verfügung gestellt werden. Da Schall Flüssigkeiten nicht leicht durchdringt, könnte das empfindliche Zellmaterial mit dieser neuen Technik sicher übertragen werden, sagt Lewis.
„Was es zu einer sehr bedeutenden Arbeit macht, ist, dass es mehr oder weniger unabhängig von der zu bedruckenden Flüssigkeit ist, was die Palette der bedruckbaren Materialien erweitert“, sagt Drinkwater.
Sie druckten sogar Honigtröpfchen auf einen Oreo-Keks.
