Звукові хвилі допомогли надрукувати на шоколаді візерунок з мікрокапель меду

Американські інженери розробили метод друку мікрокаплями рідини, заснований на використанні стоячих звукових хвиль. Ці хвилі створюють акустичний тиск, який дозволяє відірвати від сопла друкуючої головки краплю потрібного розміру і направити її в задану точку на підкладці. Цей метод не чутливий до в'язкості рідини, тому друкувати за допомогою нього можна не тільки краплями водних розчинів, але і, наприклад, рідким металом або такими в'язкими рідинами, як мед, пишуть вчені в.

Для отримання сучасних оптичних пристроїв, створення мікроелектронних приладів або при проведенні біологічних експериментів нерідко постає завдання отримати впорядковані масиви з окремих крапель заданого розміру. При цьому щоб контролювати властивості отриманих систем, краплі повинні мати строго визначений розмір і розташовуватися в строго заданих місцях. В окремих випадках зробити це можна - наприклад, за допомогою різних модифікацій методів струменевого або електрогідродинамічного друку. Але друкувати при цьому можна лише невеликою кількістю рідин у вузькому діапазоні в'язкостей. А ось отримувати таким способом візерунки з крапель в'язкого гелю або, наприклад, рідкого металу вже не вдасться.

Для розширення діапазону рідин, з крапель яких можна за допомогою друку отримувати структури з заданою геометрією, група американських інженерів з Гарвардського університету під керівництвом Дженніфер Льюїс (Jennifer A. Lewis) розробила новий метод, заснований на використанні звукових хвиль. Ідея авторів роботи полягає в тому, що сопло головки принтера, поміщається в акустичний резонатор, всередині якого створюється стояча звукова хвиля. Ця хвиля за рахунок акустофоретичного ефекту діє на краплю чорнила на кінчику сопла, в результаті чого рівновага краплі задається не двома силами (капілярною силою і силою тяжкості), як у стандартному методі друку, а трьома.

Змінюючи силу тиску звукової хвилі на поверхню рідини, можна керувати масою краплі, при якій вона буде відриватися і падати. Аналогічний ефект використовується, наприклад, для акустичної левітації, але якщо там він протистоїть силі тяжкості, то тут - навпаки, допомагає їй раніше відірвати краплю від сопла друкуючої головки. Таким чином, у заданої рідини за рахунок зміни сили акустичного тиску і діаметра сопла можна змінювати розмір крапель при друку від декількох десятків мікрометрів до міліметра. Частота відриву крапель може при цьому досягати одного кілогерця.

Крім того, оскільки сила, яка створюється за рахунок акустофоретичного ефекту, може бути в сто разів більше сили тяжкості і не залежить від в'язкості рідини, то використовувати цей підхід можна навіть для дуже в'язких крапель, в'язкість яких досягає десятків тисяч паскаль-секунд (це приблизно на 7 порядків більше, ніж у води).

При цьому звукову хвилю можна використовувати не тільки щоб відірвати краплю потрібного розміру вчасно, але і щоб направити її в потрібний бік. Сила звукового тиску набагато більше сили тяжкості, тому якщо її напрямок відхиляється від вертикалі, то і крапля при падінні буде рухатися трохи в бік, а точку, в яку вона впаде, теж можна задати заздалегідь.

Працездатність методу вчені перевірили на десятках різних рідин і сумішей, надрукувавши за допомогою крапель логотип свого університету і кілька різних візерунків, у тому числі на викривлених поверхнях. Спектр рідин, краплями яких можна друкувати, виявився дуже широким - від меду, в'язкість якого в мільйони разів більше в'язкості води, до рідкого металу. При цьому можливості методу не обмежуються тільки ньютонівськими рідинами - також вчені показали, що таким же чином можна друкувати краплями в'язкоупругих карбополів.

За словами вчених, зараз основною областю застосування цієї методики, найімовірніше, стануть біологічні експерименти, в яких необхідно отримувати капсули заданого розміру. Однак у майбутньому цей підхід також можна застосовувати при виробництві косметики або в харчовій промисловості. Наприклад, для демонстрації можливостей методу в останній з цих областей, автори роботи нанесли невеликі крапельки меду на поверхню шоколаду.

Звукові хвилі нерідко пропонують використовувати для того, щоб керувати положенням частинок у рідинних системах. Наприклад, нещодавно вчені розробили метод акустичного фокусування частинок у мікроканалах. Цей метод заснований на взаємодії звукової хвилі зі стінками каналу і залежно від частоти хвилі можна або фокусувати частинки в потрібній частині каналу.