Звуковые волны помогли напечатать на шоколаде узор из микрокапель меда

Американские инженеры разработали метод печати микрокаплями жидкости, основанный на использовании стоячих звуковых волн. Эти волны создают акустическое давление, которое позволяет оторвать от сопла печатающей головки каплю нужного размера и направить ее в заданную точку на подложке. Этот метод не чувствителен к вязкости жидкости, поэтому печатать с помощью него можно не только каплями водных растворов, но и, например, жидким металлом или такими вязкими жидкостями, как мед, пишут ученые в Science Advances.

Для получения современных оптических устройств, создания микроэлектронных приборов или при проведении биологических экспериментов нередко встает задача получить упорядоченные массивы из отдельных капель заданного размера. При этом чтобы контролировать свойства полученных систем, капли должны иметь строго определенный размер и располагаться в строго заданных местах. В отдельных случаях сделать это можно — например, с помощью различных модификаций методов струйной или электрогидродинамической печати. Но печатать при этом можно лишь небольшим количеством жидкостей в узком диапазоне вязкостей. А вот получать таким способом узоры из капель вязкого геля или, например, жидкого металла уже не удастся.

Для расширения диапазона жидкостей, из капель которых можно с помощью печати получать структуры с заданной геометрией, группа американских инженеров из Гарвардского университета под руководством Дженнифер Льюис (Jennifer A. Lewis) разработала новый метод, основанный на использовании звуковых волн. Идея авторов работы заключается в том, что сопло головки принтера, помещается в акустический резонатор, внутри которого создается стоячая звуковая волна. Эта волна за счет акустофоретического эффекта действует на каплю чернил на кончике сопла, в результате чего равновесие капли задается не двумя силами (капиллярной силой и силой тяжести), как в стандартном методе печати, а тремя.

Изменяя силу давления звуковой волны на поверхность жидкости, можно управлять массой капли, при которой она будет отрываться и падать. Аналогичный эффект используется, например, для акустической левитации, но если там он противостоит силе тяжести, то здесь — наоборот, помогает ей раньше оторвать каплю от сопла печатающей головки. Таким образом, у заданной жидкости за счет изменения силы акустического давления и диаметра сопла можно менять размер капель при печати от нескольких десятков микрометров до миллиметра. Частота отрыва капель может при этом достигать одного килогерца.

Кроме того, поскольку сила, которая создается за счет акустофоретического эффекта, может быть в сто раз больше силы тяжести и не зависит от вязкости жидкости, то использовать этот подход можно даже для очень вязких капель, вязкость которых достигает десятков тысяч паскаль-секунд (это примерно на 7 порядков больше, чем у воды).

При этом звуковую волну можно использовать не только чтобы оторвать каплю нужного размера вовремя, но и чтобы направить ее в нужную сторону. Сила звукового давления намного больше силы тяжести, поэтому если ее направление отклоняется от вертикали, то и капля при падении будет двигаться немного в сторону, а точку, в которую она упадет, тоже можно задать заранее.

Работоспособность метода ученые проверили на десятках различных жидкостей и смесей, напечатав с помощью капель логотип своего университета и несколько различных узоров, в том числе на искривленных поверхностях. Спектр жидкостей, каплями которых можно печатать, оказался очень широк — от меда, вязкость которого в миллионы раз больше вязкости воды, до жидкого металла. При этом возможности метода не ограничиваются только ньютоновскими жидкостями — также ученые показали, что таким же образом можно печатать каплями вязкоупругих карбополов.

По словам ученых, сейчас основной областью применения этой методики, вероятнее всего, станут биологические эксперименты, в которых необходимо получать капсулы заданного размера. Однако в будущем этот подход также можно применять при производстве косметики или в пищевой промышленности. Например, для демонстрации возможностей метода в последней из этих областей, авторы работы нанесли небольшие капельки меда на поверхность шоколада.

Звуковые волны нередко предлагают использовать для того, чтобы управлять положением частиц в жидкостных системах. Например, недавно ученые разработали метод акустической фокусировки частиц в микроканалах. Этот метод основан на взаимодействии звуковой волны со стенками канала и в зависимости от частоты волны можно или фокусировать частицы в нужной части канала.

Александр Дубов