Nature：3D打印1微米的细丝，用简单的机器为更强大的手机和 WiFi 铺平道路

导读：下一代手机和无线设备将需要新的天线来访问越来越高的频率范围。要使天线在数十兆赫(5G和更高的设备需要的频率) 频率范围，需要直径约1微米的细丝，但今天的工业加工技术无法加工那么小的纤维。

2022年10月27日，南极熊获悉，来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员开发了一种简单的机器，它利用水的表面张力来抓取和操纵微观物体，为纳米制造创造了可能。

这项研究以题为“3D-printed machines that manipulate microscopic objects using capillary forces”的论文被发表在《Nature》期刊上。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05234-7

该论文的高级作者、化学工程 Wagner 家族教授和 SEAS 物理学教授Vinothan Manoharan说：“我们的工作提供了一种潜在的廉价方法来制造微结构和可能的纳米结构材料。与激光镊子等其他显微操作方法不同，我们的机器可以轻松制造。我们使用一箱水和一台 3D 打印机，就像在许多公共图书馆中发现的那样。”

这台机器是一个 3D 打印的塑料矩形，大小与旧任天堂墨盒差不多。该设备的内部雕刻有相交的通道。每个通道都有宽窄的部分，就像一条在某些地方扩张而在其他地方变窄的河流。通道壁是亲水的，这意味着它们会吸引水。

△这种简单的机器利用水的表面张力来抓取和操纵微观物体。来源：Manoharan Lab/Harvard SEAS

通过一系列模拟和实验，研究人员发现，当他们将设备浸入水中并在通道中放置一个毫米大小的塑料浮子时，水的表面张力会导致墙壁排斥浮子。如果浮子在通道的狭窄部分，它会移动到较宽的部分，在那里它可以尽可能远离墙壁漂浮。

一旦进入通道的较宽部分，浮子将被困在中心，由墙壁和浮子之间的排斥力保持在适当的位置。当设备从水中提起时，排斥力会随着通道形状的变化而变化。如果浮标开始时位于较宽的通道中，随着水位下降，它可能会发现自己处于狭窄的通道中，需要向左或向右移动以找到更宽的位置。

SEAS 的同事兼该论文的共同第一作者 Maya Faaborg 说：“当我们发现我们可以通过改变诱捕通道的横截面来移动物体时，灵光乍现的时刻到来了，”。

然后，研究人员将微观纤维附着在漂浮物上。随着水位的变化和浮子在通道内向左或向右移动，纤维相互缠绕。

Faaborg 补充说：“这是一个欢呼雀跃的时刻——在我们的第一次尝试中——我们只用一块塑料、一个水箱和一个上下移动的舞台就穿过了两条纤维。”

然后，该团队添加了第三个带有纤维的浮子，并设计了一系列通道以编织模式移动浮子。他们成功地编织了合成材料凯夫拉纤维的微米级纤维。辫子就像传统的三股发辫，只是每根纤维比一根人类头发小 10 倍。

研究人员随后表明，漂浮物本身可能是微观的。他们制造了可以捕获和移动大小为 10 微米的胶体颗粒的机器——尽管这些机器要大一千倍。

△利用毛细管排斥力诱捕和操纵物体。

SEAS 的博士生、该论文的合著者 Ahmed Sherif 说：“我们不确定它是否会起作用，但我们的计算表明这是可能的。所以我们尝试了它，它奏效了。表面张力的神奇之处在于，它产生的力足够温和，可以抓住微小的物体，即使机器大到可以放在你的手中。”

接下来，该团队的目标是设计可以同时操纵许多纤维的设备，目标是制造高频导体。他们还计划设计其他用于微制造应用的机器，例如用微球制造光学器件的建筑材料。

该研究由 Cheng Zeng、Ahmed Sherif、Martin J. Falk、Rozhin Hajian、Ming Xiao、Kara Hartig、Yohai Bar-Sinai 和 Michael Brenner 共同撰写，Michael F. Cronin 应用数学和应用物理学教授兼教授SEAS的物理学。它得到了国防高级研究计划局 (DARPA) 的部分支持，获得了 FA8650-15-C-7543 资助；美国国家科学基金会通过哈佛大学材料研究科学与工程中心获得 DMR-2011754 和ECCS-1541959 资助；和海军研究办公室授予 N00014-17-1-3029。