Det var i 1726, at Sir Isaac Newton først fortalte historien om, hvordan han engang sad under et æbletræ og tænkte over, hvorfor frugten faldt direkte på jorden. Fysikeren sagde, at disse meditationer fra bagagerummet er det, der tidligere førte ham til at postere tyngdekraften i 1687. Nogle overdrev endda historien for at antyde, at ideen ramte ham bogstaveligt i form af et æble til hovedet.
Vi venter dog ikke ofte på, at et æble falder fra en gren for at gribe det. Vi plukker det i stedet selv - en let opgave, når objektet er solidt.
Når vi beskæftiger os med væsker og prøver at producere dråber, er vi stadig under tyngdekraften. Du skal kun selvadministrere øjendråber ved hjælp af en pipette, der leveres med et butikskøbt hætteglas, én gang for at vide, hvor svært det er at udnytte tyngdekraften til din fordel og guide præcise dråber i henhold til dosis på din pris- åben øjeæble.
Det nuværende maskineri, der bruges til at injicere væsker i pillekapsler, er på lignende måde begrænset af tyngdekraften, ligesom mekanismen inde i en printer, der spytter blæk på et stykke papir eller endda dyser, der udleverer de flydende ingredienser til at fremstille slik.
Men hvis man kan trosse den kraft, der holder os alle jordet, åbnes et helt område af muligheder - især i det spirende felt inden for additivfremstilling, hvor teknologi bruges til at konstruere tredimensionelle genstande et fint lag ad gangen. Forskere ved Harvard University rapporterer i dag i Science Advances, at de har udviklet en ny teknik, der bruger lydbølger til at kontrollere udskrivning af dråber efter behov, uanset væskens viskositet.
Ved at kontrollere målpositionen kan de kastede dråber deponeres omhyggeligt og mønstre hvor som helst. I dette eksempel mønstre honningdråber på et glassubstrat. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Harvard University) Måske ikke i modsætning til Newton selv, arbejdede undersøgelsens hovedforfatter Daniele Foresti, en anvendt fysiker ved Harvard, med uafhængig forskning i sit laboratorium ved hjælp af akustisk levitation til at suspendere ting som kaffekorn, vand og endda tandstikker i luften, når ideen om at anvende hvad han gjorde for at trykke ramte ham. Han var i stand til at sætte sin vision på prøve, da han blev postdoktor i laboratoriet instrueret af Jennifer Lewis, materialevidenskabsmand ved Harvard og medforfatter på studiet, der er specialiseret i 3D-udskrivning.
Typiske inkjetprintere skaber billeder ved hjælp af små dråber blæk, men den type blæk, der bruges, skal passe ind i en sød viskositet - ca. 10 gange mere tyktflydende end vand - til at flyde let nok til at danne dråber hurtigt og dryppe nedad med hjælp af tyngdekraften. Men hvad nu hvis du vil have mere kontrol over tykkere væsker, undrede forskere. Undertiden bruges sukkerbaserede biopolymerer, så klæbrige som honning - vi taler 25.000 gange mere tyktflydende end vand - til fremstilling af biofarmaceutiske produkter.
Med dette mål for øje skabte teamet et værktøj kaldet subWAVE eller subwavelength acoustophoretic voxel ejector, som er et smukt videnskabeligt navn for en lille enhed med et cylindrisk kammer, hvor et super-indesluttet akustisk felt skaber en trækkraft 100 gange stærkere end tyngdekraft ved spidsen af en lille printerdyse.
Ved hjælp af subWAVE skabte forskerne en dråbe med flydende metal. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Harvard University) Væske falder ned ad dysen, og når den når spidsen, begynder en dråbe at vokse. Du kan observere, at dette sker, når du nogensinde så tændt din vandhane og se drypperne vokse, før de kaster sig ned mod bunden af vasken. Lige når dråben når den ønskede størrelse, administreres kontrollerede lydbølger, der fylder kammeret med en sådan intensitet, at dråben plukkes lige ud fra stangens spids - ligesom "et æble fra et træ, " siger Lewis - og føres sikkert til materialet nedenfor, hvor det skal udskrives eller injiceres.
”Brugen af akustisk stråling til at tvinge dråber ud af en dyse er ny og meget cool, ” siger Bruce Drinkwater, en ultralydsingeniør ved University of Bristol, som ikke var involveret i forskningen. ”Hvad det betyder, er, at når dråbet kommer frem, kan det kontrolleres trukket fra dysen. Det er på samme måde som et par usynlige hænder, der forme og forme dråbet, når det kommer frem. ”
Når man er afhængig af almindelig gammel tyngdekraft for at flytte præcise dråber til nøjagtige placeringer, komplicerer væskens viskositet eller strømning opgaven. Men når tyngdekraften ignoreres, betyder viskositet ikke så meget. Holdet var i stand til at bruge denne teknologi til at "udskrive" dråber af en lang række væsker, fra flydende metal til harpiks, der bruges til at fremstille små kameralinser til stamcellevæske.
Holdet prikkede en Oreo med dråber honning. (Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis, Harvard University) Mens forskerne mener, at teknologien kan bruges i en række forskellige felter, er den især spændende for den farmaceutiske industri og det biologiske felt inden for udvikling, som involverer at levere følsomt og stærkt koncentreret cellemateriale til patienter til behandling af sygdomme. Da lyd ikke let gennemsyrer væsker, kunne det delikate cellemateriale overføres sikkert ved hjælp af denne nye teknik, siger Lewis.
”Det, der gør det til et meget vigtigt stykke arbejde, er, at det er mere eller mindre uafhængigt af væsken, der udskrives, hvilket udvider udvalget af materialer, der kan udskrives, ” siger Drinkwater.
De trykte endda dråber honning på en Oreo-cookie.
