قد يمهد الجهاز البسيط المطبوع ثلاثي الأبعاد الطريق لهواتف خلوية وواي فاي أكثر قوة
جهاز مطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد في خزان من ضفائر الماء يحرك الأسلاك النانوية ويحرك الجسيمات الدقيقة.
ستكون هناك حاجة إلى هوائيات جديدة للوصول إلى نطاقات تردد أعلى وأعلى للجيل القادم من الهواتف والأجهزة اللاسلكية.
تتمثل إحدى طرق صنع الهوائيات التي تعمل بعشرات الجيجاهيرتز – الترددات اللازمة لأجهزة الجيل الخامس والأجهزة الأعلى – في تجديل خيوط يبلغ قطرها حوالي 1 ميكرومتر.
ومع ذلك، فإن تقنيات التصنيع الصناعي اليوم لن تعمل على الألياف الصغيرة.
“لقد كانت لحظة صراخ بصوت عالٍ في الفرح عندما – في محاولتنا الأولى – عبرنا أليافين باستخدام قطعة من البلاستيك فقط، وخزان مياه، ومرحلة تتحرك لأعلى ولأسفل.” – مايا فابورج
الآن قام فريق من المهندسين والعلماء من كلية هارفارد جون أ.بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) بتطوير آلة بسيطة تستخدم التوتر السطحي للماء للاستيلاء على الأشياء المجهرية ومعالجتها.
يوفر هذا الابتكار الرائع أداة قوية محتملة للتصنيع باستخدام المنظار النانوي.
نُشر البحث في مجلة Nature في 26 أكتوبر.
قال فينوثان مانوهاران ، أستاذ الهندسة الكيميائية وعائلة واغنر في الهندسة الكيميائية وأستاذ الفيزياء في SEAS وكبير مؤلفي البحث: “يقدم عملنا طريقة غير مكلفة محتملة لتصنيع مواد ذات بنية دقيقة وربما مواد نانوية”.
“على عكس طرق المعالجة الدقيقة الأخرى، مثل ملاقط الليزر، يمكن تصنيع أجهزتنا بسهولة. نحن نستخدم خزانًا للمياه وطابعة ثلاثية الأبعاد، مثل تلك الموجودة في العديد من المكتبات العامة “.
الآلة عبارة عن مستطيل بلاستيكي مطبوع ثلاثي الأبعاد بحجم خرطوشة نينتندو القديمة. تم نحت الجزء الداخلي من الجهاز بقنوات تتقاطع.
تحتوي كل قناة على أقسام واسعة وضيقة، تشبه النهر الذي يتمدد في بعض الأجزاء ويضيق في أجزاء أخرى. جدران القناة محبة للماء، مما يعني أنها تجذب الماء.
من خلال سلسلة من المحاكاة والتجارب، اكتشف العلماء أنهم عندما غمروا الجهاز في الماء ووضعوا عوامة بلاستيكية بحجم ملليمتر في القناة، تسبب التوتر السطحي للماء في صد الجدار للعوامة.
إذا كان الطفو في جزء ضيق من القناة، فإنه ينتقل إلى قسم عريض، حيث يمكن أن يطفو بعيدًا عن الجدران قدر الإمكان
.
وبمجرد دخوله إلى قسم عريض من القناة، سيتم احتجاز العوامة في المركز، وتثبيتها في مكانها بواسطة قوى التنافر بين الجدران والطفو.
عندما يتم رفع الجهاز من الماء، تتغير قوى التنافر مع تغير شكل القناة. إذا كان الطفو في قناة واسعة للبدء، فقد يجد نفسه في قناة ضيقة حيث ينخفض مستوى الماء ويحتاج إلى الانتقال إلى اليسار أو اليمين للعثور على بقعة أوسع.
قالت مايا فابورج ، الزميلة في SEAS والمؤلفة المشاركة الأولى للورقة: “جاءت لحظة eureka عندما وجدنا أنه يمكننا تحريك الكائنات عن طريق تغيير المقطع العرضي لقنوات الاصطياد الخاصة بنا”.
“الشيء المدهش في التوتر السطحي هو أنه ينتج قوى لطيفة بما يكفي للاستيلاء على الأشياء الصغيرة، حتى مع وجود آلة كبيرة بما يكفي لتناسب يدك.” –
بعد ذلك، قام الباحثون بربط ألياف مجهرية بالعوامات. مع تغير مستوى الماء وانتقال العوامات إلى اليسار أو اليمين داخل القنوات، التواء الألياف حول بعضها البعض.
قال فابورج: “لقد كانت لحظة صراخ بصوت عالٍ في الفرح عندما – في محاولتنا الأولى – عبرنا أليافين باستخدام قطعة من البلاستيك فقط، وخزان مياه، ومرحلة تتحرك لأعلى ولأسفل”.
ثم أضاف الفريق طفوًا ثالثًا بألياف وصمم سلسلة من القنوات لتحريك العوامات في نمط تجديل. لقد نجحوا في تجديل ألياف ميكرومتر من المادة الاصطناعية كيفلر.
كانت الضفيرة تمامًا مثل جديلة الشعر التقليدية ذات الثلاث خصل، باستثناء أن كل ألياف كانت أصغر بعشر مرات من شعرة إنسان واحدة.
بعد ذلك، أوضح المحققون أن العوامات نفسها يمكن أن تكون مجهرية. لقد قاموا ببناء آلات يمكنها احتجاز وتحريك الجسيمات الغروية بحجم 10 ميكرومتر – على الرغم من أن الآلات كانت أكبر ألف مرة.
قال أحمد شريف، طالب دكتوراه في SEAS ومؤلف مشارك في البحث: “لم نكن متأكدين من أنها ستنجح، لكن حساباتنا أظهرت أن ذلك ممكن”.
“لذا جربناها، ونجحت. الشيء المدهش في التوتر السطحي هو أنه ينتج قوى لطيفة بما يكفي للاستيلاء على الأشياء الصغيرة، حتى مع وجود آلة كبيرة بما يكفي لتناسب يدك “.
بعد ذلك، يهدف الفريق إلى تصميم أجهزة يمكنها معالجة العديد من الألياف في وقت واحد، بهدف صنع موصلات عالية التردد.
كما يخططون لتصميم آلات أخرى لتطبيقات التصنيع الدقيق، مثل مواد البناء للأجهزة البصرية من الكرات الدقيقة.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
