O kulisach działań w tym zakresie czytamy w Science Advances. Zdaniem autorów publikacji ich odkrycie pokazuje, że zjawiska zachodzące na powierzchni wody można wykorzystać jako źródło precyzyjnego napędu dla mikroskopijnych urządzeń i procesów montażowych, które do tej pory były niezwykle trudne do zrealizowania.
Sterowanie ruchem obrotowym w skali mikro od dawna stanowi bowiem jedno z największych wyzwań mikroinżynierii. W świecie makroskopowym wystarczy zastosować silnik elektryczny lub przekładnię mechaniczną. W przypadku struktur mających zaledwie kilkadziesiąt mikrometrów średnicy takie rozwiązania przestają działać. Napędy chemiczne z czasem wyczerpują swoje paliwo, natomiast systemy wykorzystujące pola magnetyczne lub elektryczne wymagają kosztownej i skomplikowanej aparatury.
Zespół z niemieckiego KIT postanowił wykorzystać zjawiska zachodzące na granicy wody i powietrza. Badacze zaprojektowali niewielki, przezroczysty element wykonany metodą druku 3D. W jego wnętrzu znajduje się spiralny kanał utrzymujący mikroskopijny obiekt na powierzchni wody. Kiedy cały układ porusza się powoli w górę i w dół, pływający element jedynie delikatnie kołysze się na boki. Sytuacja zmienia się jednak przy odpowiednio dużej prędkości ruchu.
Czytaj też: Kamień z Chile podważa prawa fizyki. Natura tworzy układy, o jakich fizycy nawet nie śnili
Wówczas na powierzchni cieczy zaczynają tworzyć się niewielkie wiry zaburzające wcześniejszą symetrię przepływu. To właśnie one sprawiają, że obiekt zaczyna obracać się wyłącznie w jednym kierunku. Mechanizm przypomina działanie zapadki, która umożliwia obrót tylko w jedną stronę. Każdy kolejny ruch powoduje niewielki obrót, a efekt stopniowo się kumuluje, tworząc stabilny ruch obrotowy napędzany wyłącznie przepływem wody.
Aby lepiej zrozumieć działanie nowego mechanizmu, naukowcy przeprowadzili szczegółowe symulacje komputerowe przepływu cieczy. Pozwoliły one dokładnie zobrazować moment, w którym przy większych prędkościach dochodzi do złamania symetrii ruchu. To właśnie ten proces odpowiada za zamianę prostego ruchu posuwisto-zwrotnego w kontrolowany obrót.
Powstały w ten sposób mikrosilnik nie imponuje mocą w porównaniu z klasycznymi silnikami elektrycznymi. Wytwarzany moment obrotowy wynosi około 10⁻⁸ niutonometra. W świecie mikrotechnologii jest to jednak bardzo wysoka wartość, znacznie przewyższająca możliwości naturalnych silników biologicznych wykorzystywanych przez mikroorganizmy. Jednocześnie cały układ działa bez kontaktu mechanicznego z obracanym elementem, co praktycznie eliminuje ryzyko jego uszkodzenia.
Badacze postanowili wykorzystać ten efekt do rozwiązania problemu, z jakim od lat boryka się przemysł materiałowy. Skręcanie niezwykle cienkich włókien o średnicy zaledwie od 10 do 20 mikrometrów jest wyjątkowo trudne. Klasyczne maszyny plecionkarskie wymagają mechanicznego chwytania materiału, przez co tak delikatne włókna często ulegają zerwaniu jeszcze przed zakończeniem procesu produkcyjnego.
Nowa metoda całkowicie eliminuje ten problem. Dzięki wykorzystaniu przepływu wody naukowcy byli w stanie stopniowo skręcać jedwabne mikrowłókna w wielowarstwowe wiązki przypominające konstrukcję stosowaną w przewodach typu Litz lub specjalistycznych szwach chirurgicznych. Ponieważ włókna nie ulegają ściskaniu przez elementy mechaniczne, ryzyko ich uszkodzenia jest minimalne.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Możliwości praktycznego wykorzystania tej technologii okazują się bardzo szerokie. Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań jest produkcja nowoczesnych przewodów elektrycznych do centrów danych. W przewodach typu Litz wiele cienkich, wzajemnie skręconych żył ogranicza straty energii wynikające z efektu występującego podczas przesyłania sygnałów o wysokiej częstotliwości. Im mniejsze i bardziej precyzyjnie splecione są poszczególne włókna, tym wyższa może być sprawność całego układu.
Drugim ważnym obszarem zastosowań jest medycyna. Wielowarstwowe włókna mogą posłużyć do produkcji nowoczesnych nici chirurgicznych o zwiększonej wytrzymałości oraz dodatkowych funkcjach, takich jak dostarczanie leków lub monitorowanie procesu gojenia ran. Podobne struktury są również interesujące dla inżynierów pracujących nad sztucznymi mięśniami, w których skręcone włókna zmieniają długość pod wpływem bodźców elektrycznych lub cieplnych, wykonując pracę mechaniczną.
Źródło: Science Advances
