Для следующего поколения смартфонов и беспроводных устройств потребуются новые антенны для доступа к все более и более высоким частотным диапазонам. Один из способов сделать антенны, работающие на частотах в десятки гигагерц — частотах, необходимых для устройств 5G и выше, — это сплести нити диаметром около 1 микрометра. Однако современные технологии промышленного производства не работают с на столько тонкими волокнами.
Решение проблемы преложила команда инженеров и ученых из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), разработав простую машину, которая использует поверхностное натяжение воды для захвата микроскопических объектов и управления ими. Эта замечательная инновация предлагает потенциально мощный инструмент для наноскопического производства.
Машина представляет собой напечатанный на 3D-принтере пластиковый прямоугольник размером примерно со смартфон. Внутренняя часть устройства вырезана с пересекающимися каналами. Каждое русло имеет широкие и узкие участки, подобно реке, которая в одних частях расширяется, а в других сужается. Стенки канала гидрофильны, то есть притягивают воду.
Проведя серию симуляций и экспериментов, ученые обнаружили, что когда они погружали устройство в воду и помещали в канал пластиковый поплавок миллиметрового размера, поверхностное натяжение воды заставляло стену отталкивать поплавок. Если поплавок находился в узком участке канала, он перемещался в широкий участок, где мог плавать как можно дальше от стенок.
Оказавшись в широком участке канала, поплавок застрял бы в центре, удерживаемый силами отталкивания между стенками и поплавком. При подъеме устройства из воды силы отталкивания изменяются по мере изменения формы канала. Если поплавок вначале находился в широком канале, он может оказаться в узком канале, когда уровень воды упадет, и ему придется двигаться влево или вправо, чтобы найти более широкое место.
Затем исследователи прикрепили микроскопические волокна к поплавкам. При изменении уровня воды и перемещении поплавков влево или вправо в каналах волокна скручивались друг вокруг друга. Позднее был добавлен третий поплавок с волокном и разработана серия каналов для перемещения поплавков для плетения. Они успешно сплели волокна микрометрового размера из синтетического материала. Результат был похож на традиционную косу из трех прядей, за исключением того, что каждое волокно было в 10 раз меньше, чем один человеческий волос.
Затем исследователи продемонстрировали, что сами поплавки могут быть микроскопическими. Они построили машины, которые могли улавливать и перемещать коллоидные частицы размером 10 микрометров, хотя сами устройства были в тысячу раз больше.
Сейчас команда стремится разработать устройства, которые могут одновременно манипулировать множеством волокон, с целью создания высокочастотных проводников. Они также планируют разработать другие машины для микропроизводства, такие как строительные материалы для оптических устройств из микросфер.