列日大學(xué)的物理學(xué)家利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造液體景觀

魔猴君  科技前沿   3天前

如果我們能把水變成景觀會(huì)怎樣？比利時(shí)列日大學(xué)的物理學(xué)家與美國布朗大學(xué)合作，成功了。他們利用3D打印的毫米級脊柱，操控水面，創(chuàng)造出可編程的“液體景觀”。但這還不是全部。這些景觀允許粒子在其中移動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)為微流體、微觀運(yùn)輸和分類，乃至對抗海洋污染開辟了新的視角。

要理解這一突破，首先要澄清兩個(gè)關(guān)鍵概念：表面張力和彎月面。前者可以定義為水的保護(hù)層。水的這種特性使其能夠抵抗外力。舉個(gè)例子，表面張力使一些輕物體甚至昆蟲（如蚊子）能夠漂浮在水面上而不被淹沒。另一方面，在物理學(xué)中，彎月面是由于容器的形狀和液體的毛細(xì)作用而在液體表面產(chǎn)生的幾乎看不見的曲率。再次使用科學(xué)家的例子，這是當(dāng)你試圖傾斜玻璃杯中的水時(shí)在表面一端形成的小曲率。了解了這一點(diǎn)，讓我們看看有什么新東西以及3D打印是如何發(fā)揮作用的。

使用模擬半月板的3D打印脊柱在水面上創(chuàng)建的景觀。

列日大學(xué)的GRASP（統(tǒng)計(jì)物理研究與應(yīng)用小組）團(tuán)隊(duì)研究了制造彎月面的可能性，這種彎月面可以在表面形成液體景觀。為此，他們采用了一種在實(shí)驗(yàn)室中越來越常見的工具：3D打印。他們使用Stratasys PolyJet打印機(jī)打印出由毫米大小的尖刺組成的晶格結(jié)構(gòu)，這些尖刺末端呈圓形，彼此“足夠靠近，足以在不破壞水面張力的情況下使其發(fā)生大規(guī)模變形”。

每一個(gè)結(jié)構(gòu)都被放置在一個(gè)單獨(dú)的培養(yǎng)皿中，然后加入水，直到水覆蓋住棘突，并在棘突周圍形成一個(gè)彎月面。“按照這個(gè)邏輯，這意味著如果你把它們排列整齊，并且它們足夠靠近，你就會(huì)看到一種巨大的彎月面出現(xiàn)，這是每個(gè)彎月面相互重疊疊加的結(jié)果，”物理學(xué)家梅根·德倫斯解釋道。

通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過改變尖刺之間的高度和距離，液體表面不再平坦。基于這一觀察，他們設(shè)計(jì)了幾個(gè)“測試區(qū)”來改變水面。通過修改每個(gè)尖刺，他們能夠創(chuàng)造出液體景觀，例如半球、傾斜平面，甚至布魯塞爾原子球塔。

那么，在水面上形成小圖形的意義何在？實(shí)驗(yàn)室主任、物理學(xué)家Nicolas Vandewalle教授解答道：“這種方法也為移動(dòng)和分類漂浮物（例如彈珠、水滴或塑料顆粒）提供了一種新方法。當(dāng)液面傾斜時(shí)，較輕的物體會(huì)由于阿基米德推力而上升，而較重的物體則會(huì)在自重作用下下沉，就像從水面上滑下來一樣。”因此，科學(xué)家們提出了諸如顯微操作或粒子分選等應(yīng)用。

編譯整理：3dnatives